pdf online - netfei

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
SMART SÍTĚ A JEJICH
INFRASTRUKTURA
učební text
Kristýna Friedrischková
Bohumil Horák
Vít Otevřel
Zdeněk Slanina
David Vala
Ostrava 2014
Název:
Smart sítě a jejich infrastruktura
Autor:
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D., Ing. Kristýna
Friedrischková, Ing. Zdeněk Slanina, Ph.D., Ing. Vít Otevřel, Ing. David Vala
Vydání:
první, 2014
Počet stran:
351
Studijní materiály pro studijní obor Měřicí a řídicí technika, FEI
Jazyková korektura: nebyla provedena.
Určeno pro projekt:
Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost
Název: NETFEI - Rozvoj sítí a partnerství mezi Fakultou elektrotechniky a informatiky
VŠBTUO a podnikatelským sektorem a institucemi terciálního vzdělávání
Číslo: CZ.1.07/2.4.00/31.0031
Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FEI
Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR
© VŠB – Technická univerzita Ostrava
ISBN 978-80-248-3534-1
OBSAH
1
Smart sítě .................................................................................................................. 4
2
Zdroje elektrické energie ........................................................................................... 6
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
3
Úvod ............................................................................................................................ 6
Vodní elektrárny .......................................................................................................... 6
Geotermální energie .................................................................................................... 8
Výroba energie z biomasy ............................................................................................. 9
Větrné elektrárny ....................................................................................................... 11
Sluneční elektrárny (solární energie) ........................................................................... 12
Tepelná čerpadla, elektrárna OTEC k navigaci.............................................................. 15
Kogenerační jednotky ................................................................................................. 16
Spotřebitelé elektrické energie ................................................................................ 18
3.1.
Spotřebiče.................................................................................................................. 18
3.2.
Bilance a výpočty energetické náročnosti domácnosti při vytápění a ohřevu teplé
užitkové vody ......................................................................................................................... 20
3.3.
Řízení spotřebičů v domácnostech .............................................................................. 32
3.4.
Sběrnicový systém KNX .............................................................................................. 55
3.5.
Hardware KNX/EIB ..................................................................................................... 72
3.6.
Komunikace ............................................................................................................... 73
4
Akumulační prostředky ............................................................................................ 88
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
5
Vybrané obnovitelné zdroje ....................................................................................135
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
6
Elektromobily............................................................................................................293
Smart grids................................................................................................................297
Nároky na Smart grids ...............................................................................................307
Bezpečnost Smart Grids .............................................................................................317
Oblasti úspor energií v inteligentních budovách ......................................................319
7.1.
7.2.
7.3.
8
Solární zdroje ............................................................................................................135
Větrné zdroje ............................................................................................................219
Tepelná čerpadla .......................................................................................................224
Kogenerační jednotky ................................................................................................248
Elektrmobilita a smart grid .....................................................................................293
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
7
Rozdělení akumulačních systémů ............................................................................... 88
Akumulační soustavy a jejich podrobnější popis .......................................................... 92
Podmínky pro instalaci akumulačních systémů v distribučních soustavách ..................113
Návrh malého akumulačního systému .......................................................................121
Ekonomika provozu bateriových systémů v energetické síti ........................................124
Inteligentní budovy ...................................................................................................319
Spotřeba energií v budovách .....................................................................................320
Funkce managementu energií v budovách .................................................................321
Způsob sériové komunikace se zařízeními ...............................................................334
8.1.
8.2.
.NET Framework a Mono – použití sériového portu ....................................................337
Příklady.....................................................................................................................346
1 Smart sítě
Dnešní energetické sítě jsou na své hranici systémového kolapsu. Tento stav je
zapříčiněn nejen krizí jaderných zdrojů ale i snižující se dostupností a spolehlivostí
dodávek fosilních paliv. Celá distribuční síť a to především v Moravskoslezském kraji
je přetížená v důsledku rozšiřující se zástavby a to jak bytových center, tak
průmyslových areálů. Díky podílu alternativních zdrojů energií je distribuční síť
vystavena nerovnováze a díky neschopnosti predikce vstupů těchto alternativních
zdrojů energií dochází k opakovaným masovým přesunům energií cyklicky střídány
stejně nepředvídatelnými výpadky a tudíž deficity z výpadků těchto zdrojů.
Možným východiskem z této situace, kam s velkými krátkodobými přebytky energie a
jak pokrýt krátkodobé dramatické deficity, je budování tzv. SMART GRIDS, neboli
inteligentních sítí.
Principem těchto inteligentních sítí je zásadní obrat, kdy historický princip „Výrobadistribuce-spotřeba“ je nahrazena rozptýlením transportovatelných kvant energie do
sítě (viz.obr.1.1), kdy dříve pasivní články sítě (spotřebitelé), se stanou aktivními
prvky systému (skladovateli a v jistém smyslu slova i distributory nebo alespoň
redistributory energie).
Inteligentní sítě představují v porovnání s tradičními sítěmi inteligentní a otevřený
systém, který dovolí efektivní kombinování elektrické energie z tradičních a
alternativních zdrojů. Inteligentní sítě jsou schopny samy reagovat na hrozící
přetížení a přesměrovat tok elektřiny tak, aby předešly možným výpadkům.
Inteligentní sítě také dokážou monitorovat děj a technický stav sítě a řešit poruchy i
eventuální výpadky. V reálném čase také zvládnou komunikovat se zákazníkem a
optimalizovat jeho spotřebu s přihlédnutím k ceně i životnímu prostředí.
Každý zákazník, který si pořídí elektromobil (elektrobus, elektrotruck atd.), může své
vozidlo provozovat v konvenčním režimu („načerpá“ elektrickou energii z dobíjecí
jednotky ve své garáži, či z rychlonabíjecího stojanu na parkovišti či „rychločerpací“
stanici /cca 60%kapacity je dnes možno nabít za 10-15min./).
Může však též využít nabídky distributora dát k dispozici část volné kapacity
akumulátoru svého vozidla, kterou v tu konkrétně předem dohodnutou “chvíli“
nepotřebuje (může to tedy býti nejen noc, kdy stojí v garáži, ale i den, kdy stojí na
parkovišti nebo čas, kdy elektrobus stojí ve vozovně či obratišti). Z vozidla se tak
rázem stane malá „přečerpávací elektrárna“, do které distributor při přebytku energie
(zafoukal vítr, zasvítilo slunce) uloží část přebytečné energie. Naopak v době
nedostatku energie (utichl vítr, zašlo slunce, zvýšila se spotřeba) část uložené
energie odkoupí zpět.
Zákazník tak může v ideálním stavu nakupovat levnou energii a část z ní za
mnohonásobně vyšší cenu prodávat zpět jako špičkovou a v ideálním stavu tak za
načerpanou energii zaplatí méně, než kolik utrží za zpětně odprodanou energii,
4
přitom jezdí (ale nejen jezdí, ale též zdarma parkuje v centrech měst u nabíjecích
stojanů) téměř zdarma.
Dostatečně hustá síť elektromobilů tak funguje stejně jako lužní les v přírodě. Jako
houba nasaje „povodeň“ nepředvídatelné „zelené“ alternativní energie, kterou je
schopen zpětně uvolnit do sítě v době její největší potřeby.
Obr. 1.1. Schéma Smart sítě
Teprve s nástupem elektromobility jako komplexního oboru řešícího problém
distribučních sítí i sítí dopravních se s dnešních takzvaně ekologických zdrojů stávají
skutečné alternativy plnohodnotně nahrazující neekologické konvenční zdroje.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.] Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií. Energetické
sítě (SMART GRIDS) [online]. 2012 [17.3.2014]. Dostupné z http://www.narodnispolek.cz/smart-grids .
5
2 Zdroje elektrické energie
Zdrojem elektrické energie je v dnešní době a podmínkách, ve kterých žijeme
v České republice hlavně jaderná energie. Tato energie je brána jako čistá energie
s malým dopadem na životní prostředí (oproti elektrárnám na tuhá paliva).
2.1. Úvod
Současný trend v energetické politice prosazuje vyrovnaný "energetický mix"
jednotlivých druhů zdrojů energie. Jejich role je přímo závislá jak na hodnocení z
hlediska trvale udržitelného rozvoje, tak z hlediska ekonomických ukazatelů. Kromě
klasických zdrojů (fosilní paliva, tj. uhelné elektrárny, uran, tedy JE Temelín, JE
Dukovany), to platí i pro tzv. obnovitelné zdroje. V měřítku existence lidstva a jeho
potřeb jde o nevyčerpatelné formy energie Slunce a Země.
Mezi obnovitelné zdroje patří:

energie vody

geotermální energie

spalování biomasy

energie větru

energie slunečního záření

využití tepelných čerpadel

energie příboje a přílivu oceánů
Požadavek na maximální využívání obnovitelných zdrojů je i jedním z klíčových bodů
energetické politiky Evropské unie. Podle výsledků průzkumu provedeného
statistickým úřadem EU Eurostat považuje zvyšování podílu obnovitelných zdrojů
energie na bilanci spotřeby energie za jeden z prioritních úkolů svých vlád 90 %
občanů členských zemí.
Při vstupu ČR do EU se ČR zavázala, že podíl výroby elektrické energie z
alternativních zdrojů bude v roce 2010 činit 8 % celkové výroby. Podle předběžných
odhadů se zřejmě tento cíl podařilo přibližně splnit. V roce 2020 by mělo jít o 13,5 %
výroby z obnovitelných zdrojů energie na celkové hrubé spotřebě energií.
Největší producent elektrické energie v ČR, ČEZ, a s., a. s., vyprodukoval v roce
2012 v obnovitelných energetických zdrojích (vodní elektrárny kromě
přečerpávacích, biomasa, větrné a solární elektrárny) 1,9 TWh.
2.2. Vodní elektrárny
Největší podíl mezi obnovitelnými zdroji má v podmínkách ČR vodní energie.
Zatímco energie vodního kola byla využívána pro velmi pestrou paletu nejrůznějších
lidských činností, moderní vodní turbíny nacházejí své uplatnění takřka výhradně při
výrobě elektřiny. Hydroenergetika je perspektivní především v oblastech prudkých
6
toků s velkými spády. V ČR nejsou přírodní poměry pro budování vodních
energetických děl ideální. Naše toky nemají potřebný spád ani dostatečné množství
vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové
výrobě v ČR poměrně nízký, v roce 2012 činil pouhá 4 %. Významným posláním
vodních elektráren v ČR je pracovat jako doplňkové zdroje hlavních zdrojů (uhelné
elektrárny, JE Dukovany, JE Temelín). Využívá se přitom jejich schopnost rychlého
najetí velkého výkonu a tedy operativního vyrovnání okamžité energetické bilance v
elektrizační soustavě ČR.
Přednosti vodních elektráren
Vodní elektrárny neznečišťují ovzduší, nedevastují krajinu a povrchové či podzemní
vody těžbou a dopravou paliv a surovin, jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu
surovin a vysoce bezpečné. Pružným pokrýváním spotřeby a schopností akumulace
energie zvyšují efektivnost elektrizační soustavy. Vysokým stupněm automatizace
přispívají k vyrovnávání změn na tocích a vytvářejí nové možnosti pro revitalizaci
prostředí (prokysličování vodního toku).
K principu vodní elektrárny
Ve vodní elektrárně voda roztáčí turbínu, ta je na společné hřídeli s elektrickým
generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící
vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst
spotřeby.
Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se
osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v
nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční
Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s
reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se
převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou
jednoduchou turbínou Francisovou.
Vedle průtokových vodních elektráren patří mezi nejznámější typy vodních elektráren
elektrárny akumulační. Jsou součástí vodních děl - nádrží. Tato vodní díla kromě
akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují průtoky říčním korytem,
chrání před povodněmi a podporují plavební možnosti toku. Břehy nádrží mohou
sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro
vodárny, technologické vody pro průmysl a závlahové vody pro zemědělství.
Umístění vlastní elektrárny může být různé podle tvaru terénu, výškových a
spádových možností a podle množství vody. Existují elektrárny zabudované přímo do
tělesa hráze, jinde je elektrárna vystavěna hluboko v podzemí. Voda se k ní přivádí
tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem.

Malé vodní elektrárny
7
K využití potenciálu vodních toků v ČR slouží i kategorie tzv. malých vodních
elektráren (zdroje elektrické energie s instalovaným výkonem do 10 MW). Většina
malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Průtoky toků, na kterých jsou
zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období.

Přečerpávací vodní elektrárny
Elektrizační soustava státu musí v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické
energie, kolik jí je potřeba. Spotřeba elektrické energie přitom jak během dne, tak i v
delších obdobích kolísá. Elektrickou energii sice nelze v čistém stavu skladovat,
situaci však účinně pomáhají řešit přečerpávací vodní elektrárny.
Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně
položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní
části umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační
soustavu v době energetické potřeby; v době útlumu se voda z dolní nádrže
přečerpává "levnou elektřinou" do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na
své optimální využití v "pravou chvíli".
Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je schopnost přifázování do
elektrifikační sítě s plným výkonem v několika minutách. Tato schopnost je ostatně
vlastní všem vodním elektrárnám.
2.3. Geotermální energie
Geotermální elektrárny využívají k výrobě elektřiny tepelnou energii z nitra Země - na
některých místech je teplotní spád více než 55 stupňů Celsia na 1 km hloubky.
Geotermální elektrárny se staví zejména ve vulkanicky aktivních oblastech, kde
využívají k pohonu turbín horkou páru stoupající pod tlakem z gejzírů a horkých
pramenů, nebo teplonosné médium, které se vtlačuje do vrtů, v hloubi země ohřívá a
ohřáté vyvádí na povrch.
Obecně lze ze zemských vrtů využívat nízkopotenciální i vysokopotenciální teplou
vodu. Celkový instalovaný výkon geotermálních elektráren ve světě se odhaduje na
8000 MW. Na rozdíl od většiny jiných typů elektráren, jako je jaderná elektrárna nebo
elektrárna spalující fosilní paliva, nepotřebují geotermální elektrárny žádné palivo.
Jejich nevýhodou je, že jsou dostupné pouze na některých místech zemského
povrchu. Výstavba geotermální elektrárny je zhruba pětkrát dražší než stavba
jaderné elektrárny.
Podíl těchto elektráren v rámci celé Evropy je minimální, v některých lokalitách je ale
jeho význam značný. Mezi takové oblasti patří Island, kde z geotermálních zdrojů
pochází většina elektrické energie a kde jsou tyto zdroje využívány i k vytápění
domů, ohřevu vody atd. Dále je tento zdroj významně využíván v Itálii v oblastech s
aktivní sopečnou činností (Vesuv, Liparské ostrovy, Sicílie). Geotermální energie je
využívána i ve Francii, na Novém Zélandu, v Kalifornii, Japonsku, Mexiku a na
Filipínách, avšak v mnohem menší míře.
8
2.4. Výroba energie z biomasy
Biomasa je definována jako hmota organického původu. V souvislosti s energetikou
jde nejčastěji o dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky včetně
exkrementů užitkových zvířat.
Rozlišujeme biomasu "suchou" (např. dřevo) a "mokrou" (např. tzv. kejda - tekuté a
pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou). Základní technologie
zpracování se dělí na suché procesy (termochemická přeměna) jako je spalování,
zplyňování a pyrolýza a procesy mokré (biochemická přeměna), které zahrnují
anaerobní vyhnívání (metanové kvašení), lihové kvašení a výrobu biovodíku. Zvláštní
podskupinu potom tvoří lisování olejů a jejich následná úprava, což je v podstatě
mechanicko-chemická přeměna (např. výroba bionafty a přírodních maziv).
Spalování a zplyňování biomasy
Ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv.
dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování.
Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do
spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého
tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu,
nižší emise, vyšší účinnost. Zařízení se zplyňováním biomasy se používají stále více.
Na první pohled se neliší od běžných spalovacích zařízení.
Biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je
velmi vysoký (u dřeva je 70 %, u slámy 80 %). Vzniklé plyny mají různé spalovací
teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva. Podmínkou
dokonalého spalování je vysoká teplota, účinné směšování se vzduchem a dostatek
prostoru pro to, aby všechny plyny dobře shořely a nestávalo se, že budou hořet až v
komíně.

Výhřevnost biomasy
Výhřevnost dřeva a dalších rostlinných paliv kolísá nejen podle druhu dřeva či
rostliny, ale navíc i s vlhkostí, na kterou jsou tato paliva citlivější. Dřevní hmota při
přirozeném provětrávání pod střechou sníží svůj obsah vody na 20 % za jeden rok,
řepková sláma za stejných podmínek na 13 %.
Obsah energie v 1 kg dřeva s nulovým obsahem vody je asi 5,2 kWh. V praxi však
nelze dřevo vysušit úplně, zbytkový obsah vody je asi 20 % hmotnosti suchého
dřeva. Protože se při spalovacím procesu část energie spotřebuje na vypaření této
vody, je nutné počítat s energetickým obsahem 4,3 až 4,5 kWh na 1 kg dřeva.

Spalovací zařízení biomasy
Biomasa (nejčastěji ve formě dřevní štěpky) se ve velkém spaluje v klasických
elektrárnách ve fluidních kotlích s cirkulací spalin spolu s energetickým uhlím. Pro
průmyslové aplikace nebo systémy centrálního zásobování teplem se používají kotle
nad 100 kW spalující také dřevní štěpku nebo balíky slámy. Často jsou vybaveny
9
automatickým přikládáním paliva a dokáží spalovat i méně kvalitní a vlhčí biomasu.
Někdy tato zařízení využívají kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (kogenerace).
Spalování čisté biomasy a spoluspalování biomasy s energetickým uhlím ve větším
množství se v závislosti na případných změnách související legislativy jeví jako
perspektivní směr energetického využívání obnovitelných zdrojů v ČR.
Kotle pro rodinné domky pracují obvykle tak, že se palivo nejprve zplyňuje a teprve
potom se plyn spaluje. Takový systém umožňuje velmi dobrou regulaci srovnatelnou
s plynovými kotli. Kotle spalují nejčastěji polenové dříví či pilinové brikety, někdy v
kombinaci se dřevní štěpkou nebo dřevním odpadem. Oblibu si získávají lisované
pilinové pelety, které umožňují bezobslužný provoz kotle a komfortní dopravu a
skladování.
Dřevo se dále spaluje i v cihlových pecích, kachlových nebo kovových kamnech.
Výhodou kamen je, že se rychle rozehřejí. Jejich účinnost závisí na konstrukci i na
uživateli. Některá moderní kamna mají také vestavěnou topnou vložku, takže pracují
zároveň i jako kotel ústředního vytápění.

Bioplyn
Při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených
nádržích bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Ze zemědělských odpadů se v největší
míře energeticky využívá kejda, případně i slamnatý hnůj, sláma, zbytky travin,
stonky kukuřice, bramborová nať a další. Tímto způsobem je možné zpracovávat
také slámu, piliny a jiný odpad, proces je však pomalejší.
V bioplynovém zařízení se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném
reaktoru. Obvyklá teplota je pro mezofilní bakterie 37 až 43 °C, pro termofilní 50 až
60 °C. Princip vyvíjení bioplynu je velmi jednoduchý, protože je však nutné dodržovat
bezpečnostní normy, zařízení se stávají složitými a tudíž dražšími. Větší bioplynové
stanice jsou ekonomicky rentabilnější než malé jednotky, stále však zůstává problém
využití velkého množství odpadního tepla (zejména v létě).

Fermentace biomasy
Fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat ethanol (ethylalkohol). Vhodnými
materiály jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být
vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého
ethanolu, který je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho
přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti, nedostatkem je
schopnost vázat vodu a působit korozi motoru.
V USA probíhají výzkumy výroby ethanolu z celulózy pomocí speciálně
vyšlechtěných mikroorganismů. Ethanol lze pak získat ze dřeva nebo trávy.
Biomasa, NOx a CO2
Dřevo či sláma - jsou-li správně spáleny - jsou hned po vodíku ekologicky
"nejpřátelštějším" palivem. Jediným příspěvkem ke znečištění ovzduší jsou oxidy
10
dusíku (NOx), které vznikají při každém spalování za přítomnosti atmosférického
vzduchu. Jejich množství závisí na kvalitě spalování, zejména na teplotě.
Vzhledem k tomu, že CO2 uvolněný při spalování organické hmoty, je znovu
absorbován při růstu rostlin, nelze v tomto směru hovořit o problému s emisemi
skleníkových plynů. Ve dřevě není síra, stopy síry jsou ve slámě - asi 0,1 % v
porovnání s minimálně 2 % v hnědém uhlí.
2.5. Větrné elektrárny
Na území ČR se větrná energie využívala v minulosti ve větrných mlýnech. Historicky
je postavení prvního větrného mlýna na území Čech, Moravy a Slezska doloženo již
v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Jaderná energetika je tedy ve
srovnání s větrnou skutečným batoletem.
První větné elektrárny vznikaly koncem 80. let minulého století. První fáze boomu
jejich výstavby proběhla v letech 1990-1995, další oživení přišlo na začátku nového
tisíciletí. V současné době větrné elektrárny pracují zhruba na stovce lokalit v ČR,
jejich nominální výkon se pohybuje od malých výkonů (300 W) pro soukromé využití
až po 3 MW u velkých jednotek. Mezi výrobce patří především dodavatelé z Dánska
a Německa.
Princip větrné elektrárny
Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na
stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím
generátoru zdrojem elektrické energie (na podobném principu turbogenerátoru
pracuje jak klasická, vodní či jaderná elektrárna). Podél rotorových listů vznikají
aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný
profilu křídel letadla. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly
s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí
mocninou. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru
tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení věrné elektrárny.
Obsluha větrné elektrárny je automatická.
Perspektivy větrných elektráren v ČR
Zatímco na konci roku 2004 pracovaly větrné elektrárny v ČR s celkovým
instalovaným výkonem o něco málo vyšším než 15 MW (vyrobily necelých 10 GWh
elektrické energie), v roce 2012 dosáhly instalovaného výkonu 263 MW.
Nepravidelnost, nahodilost a nepřesnost předpovědí síly i směru větru způsobují, že
zařízení určená k využívání jeho energie jsou schopna pracovat pouze po 10 až 20
% roční doby.
Až na výjimky leží vhodné lokality v horských pohraničních pásmech Krušných hor a
Jeseníků, popř. v oblasti Českomoravské vrchoviny. Podle předběžných odhadů by
bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 větrných elektráren o
jednotkovém výkonu 1,2 až 2 MW. Při racionálním využití větrného potenciálu, který
11
je v České republice k dispozici, by se zde mohlo vyrábět 6 TWh ročně, což je
spotřeba více než 4 milionů lidí.

Vliv větrné elektrárny na životní prostředí.
Vůči životnímu prostředí je větrná energetika maximálně šetrná. Neprodukuje tuhé či
plynné emise a odpadní teplo, nezatěžuje okolí odpady, ke svému provozu
nepotřebuje vodu. Jednotlivá větrná elektrárna nepředstavuje významný zábor
zemědělské půdy a nároky na plochu staveniště jsou minimální, pro získání většího
výkonu je však třeba stavět větrné farmy o obrovských rozlohách (např. 1000 MW
větrná farma zabere rozlohu 35 000 km 2, uhelná nebo jaderná elektrárna o stejném
výkonu pouhých několik km2, ve srovnání s nimi však vyrobí asi 8x méně elektřiny).
V mnoha případech bývá ochránci přírody nadhodnocován negativní vliv akustických
emisí na okolí. Jde přitom o hluk, jehož zdrojem je strojovna elektrárny (množství
hluku závisí na kvalitě výroby jednotlivých technologických částí a na uložení a
kapotáži soustrojí), popř. o hluk aerodynamický vznikající interakcí proudícího
vzduchu s povrchem listů rotoru a uvolňováním vzduchových vírů za hranou listů.
Tento hluk je snižován modernější konstrukcí listů vrtule, popř. variantností typů
rotorů (za cenu snížení hlukové emise se snižuje i výkon generátoru).

Větrné elektrárny a Evropská unie
Program rozvoje větrné energetiky přijaly země Evropských společenství již v roce
1980. Začaly stanovením technických a hospodářských možností v jednotlivých
členských zemích a zpracováním jejich větrných energetických atlasů. Od roku 1993
zaznamenává větrná energetika ve světě prudký růst Majoritní podíl na evropském
výkonu větrných elektráren drží instalovaným výkonem přes 27 000 MW Německo,
výkon zhruba 20 000 MW je ve Španělsku, hranici 5 tisíc MW překročily Itálie,
Francie a Velká Británie. Mezi další významné státy patří v tomto ohledu Dánsko,
Nizozemsko a Portugalsko. Na celkové spotřebě elektřiny v zemích pětadvacítky se
tento zdroj podílí pěti procenty. Evropská komise předpokládá, že do roku 2020
stoupne podíl větrné elektřiny na celkové produkci na 12,1 %. Standardem se již
staly turbíny o výkonu větším než jeden megawatt, v roce 2003 se postavily první
pětimegawattové stroje, v roce 2010 se objevily i generátory o výkonu 5 MW. Počítá
se s nimi hlavně pro přímořské a mořské větrné farmy. Jinde se vítr zřejmě dočká
využití maximálně v kombinaci s dalšími zdroji elektrické energie jako jejich doplněk.
2.6. Sluneční elektrárny (solární energie)
Stejně jako jsou negativní dopady jaderné elektrárny na životní prostředí minimální,
získávání elektrické energie přímo ze slunečního záření je z hlediska životního
prostředí také čistým a šetrným způsobem její výroby. Jaderná energetika i sluneční
elektrárny využívají zdroje energie, kterého je a ještě dlouho bude v přírodě dostatek.
Účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu umožňuje získat se současnými
solárními systémy z jednoho metru aktivní plochy až 110 kWh elektrické energie za
rok. V našich podmínkách je ve srovnání se současnými klasickými zdroji elektrická
12
energie ze solárních systémů však stále ještě podstatně dražší a musí být dotovaná
státem.
Technologie slunečních elektráren však má teoreticky neomezený růstový potenciál
a vyspělé státy s ní do budoucna počítají. Celosvětový meziroční nárůst výroby
solárních panelů se po roce 2000 pohybuje okolo 35 %. Celkový instalovaný výkon
slunečních elektráren na světě byl v roce 2010 přes 30 000 MW. Z téměř 90 % se na
tomto čísle podílely Německo, Japonsko a Spojené státy.
Podíl fotovoltaiky na celkové produkci elektrické energie ve světě představuje pouze
asi 0,01 %.
Optimistické předpovědi kalkulující s postupným odezníváním současné ekonomické
recese počítají pro rok 2015 se 72 GW instalovaného výkonu.

Sluneční elektrárny v ČR
První sluneční elektrárna o výkonu 10 kW byla uvedena do provozu v roce 1998 na
vrcholu hory Mravenečník v Jeseníkách (dnes je umístěna jako demonstrační
zařízení v areálu JE Dukovany coby součást informačního centra).
Od roku 2000 zaváděl stát nástroje na podporu fotovoltaiky, a to jak podporou
demonstračních projektů, tak podporou vývoje a výzkumu. Podpora vyvrcholila v
roce 2010, kdy však bylo dosaženo nejvyšší míry disproporce mezi výší výkupní
ceny elektřiny z fotovoltaických instalací a náklady na pořízení fotovoltaických
panelů. To mj. zapříčinilo obrovský boom výstavby fotovoltaických zařízení domácími
i zahraničními investory. Stát musel v průběhu roku na doporučení ČEPS, a. s.,
podporu omezit, aby nestabilní fotovoltaické instalace nerozkolísaly elektrizační
soustavu. Přesto se Česká republika stala koncem roku 2010 třetím největším
provozovatelem fotovoltaických elektráren na světě.
Princip sluneční elektrárny
Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo.
Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením
světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích
(např. v křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Fotovoltaický článek je tvořen
nejčastěji tenkou destičkou z monokrystalu křemíku, použít lze i polykrystalický
materiál. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např.
bóru), z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku
dopadnou fotony, záporné elektrony se uvolňují a zbývají kladně nabité "díry".
Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody a spojíme je vodičem, začne protékat
elektrický proud. Jeden cm2 dává proud okolo 12 mW (miliwattů). Jeden metr
čtvereční slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného
proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potřebného
napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali větší
proud. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel.
13
Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V
ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická
přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých drátů vzniká
elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Jednoduché zařízení ze
dvou různých drátů spojených na koncích se nazývá termoelektrický článek. Jeho
účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu
teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků
vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor.
Palivový článek
Elektřinu lze získávat ze slunečního záření také prostřednictvím energie chemické
tak, že pomocí slunečního záření rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se původní
energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Při slučování obou
plynů, tj. při okysličování vodíku, vzniká opět voda. Nahromaděná energie se přitom
uvolní buď jako teplo (při hoření), nebo v palivovém článku jako elektrický proud.
Palivový článek je měnič, ve kterém se energie chemická mění v energii elektrickou.
Palivové články budou pravděpodobně - podobně jako jaderné palivo - důležitým
zdrojem elektrické energie v budoucnosti. Představují uskladněnou sluneční energii a
lze je získávat v neomezeném množství. Účinnost palivových článků je vysoká (až 90
%), generátory elektráren na fosilní paliva dosahují pouze 35% účinnosti.
Provoz palivových článků je absolutně čistý, neboť jejich produktem je voda. Články
pracují zcela bezhlučně, jelikož neobsahují žádné pohyblivé části. Pomocí palivových
článků lze získávat elektřinu pro domácnost (s výkonem 12 kW). Vyrábějí se však už
baterie mnoha palivových článků s výkonem až 13 000 kW (užívají se zejména v
astronautice).

Sluneční tepelné elektrárny
Ve sluneční tepelné elektrárně se sluneční záření mění na elektrickou energii ve
velkém měřítku. V principu jde o tepelnou elektrárnu, která potřebné teplo získává
přímo ze slunečního záření. Kotel (absorbér) sluneční elektrárny je umístěn na věži v
ohnisku velkého fokusačního (ohniskového) sběrače. Sluneční záření se na něj
soustřeďuje pomocí mnoha otáčivých rovinných zrcadel - tzv. heliostatů. V kotli se
ohřívá např. olej, ve výměníku se získává horká pára, která pak pohání turbínu,
turbína pohání generátor a ten vyrábí elektrický proud.

Sluneční elektrárny a budoucnost
Na Zemi je asi 22 milionů km2 pouští, které nelze využít ani v zemědělství, ani k
chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však mohou být
alespoň zčásti využity k přeměně sluneční energie na elektřinu nebo k rozkladu vody
na vodík a kyslík. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km2.
Jednoduchý výpočet ukáže, že jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou
slunečních elektráren bylo možné získat asi 50 terawattů, což je 5krát více, než
lidstvo potřebuje.
14
Elektrická energie ze solárních článků ze Sahary by se do Evropy mohla rozvádět
přes Gibraltar. Jinou možností je využívat sluneční energii k rozkladu vody a vodík
pak do Evropy dopravovat potrubím nebo ve velkých tankerech podobně jako zemní
plyn.
2.7. Tepelná čerpadla, elektrárna OTEC k navigaci
V zemi, vodě i ve vzduchu je obsaženo nesmírné množství tepla; jeho nízká teplotní
hladina však neumožňuje přímé energetické využití. Tepelná čerpadla jsou zařízení,
která umožňují odnímat teplo okolnímu prostředí, převádět je na vyšší teplotní
hladinu a předávat ho cíleně pro potřeby vytápění nebo pro ohřev teplé užitkové
vody. Tepelná čerpadla neprodukují odpad, jde o zcela bezodpadovou technologii.
Princip tepelného čerpadla
Principem tepelného čerpadla je uzavřený chladicí okruh (obdobně jako u
chladničky), jímž se teplo na jedné straně odebírá a na druhé předává. Chladnička
odebírá teplo z vnitřního prostoru a předává je kondenzátorem na své zadní straně
do místnosti. Tepelné čerpadlo místo potravin ochlazuje například vzduch, půdu
nebo podzemní vodu. Teplo odebrané těmto zdrojům předává do topných systémů.
Činnost tepelného čerpadla využívá fyzikální jevy spojené se změnou skupenství
pracovní látky - chladiva. Ve výparníku tepelného čerpadla chladivo při nízkém tlaku
a teplotě odnímá teplo zdroji nízkopotenciálního tepla, dochází k varu. Páry chladiva
jsou stlačeny, zahřívají se a v kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané
látce. Tím se opět ochlazují a zkapalňují. Celý oběh je uzavřen odvodem chladiva do
výparníku přes expanzní ventil, který snižuje tlak kapalného chladiva.
Tepelné čerpadlo dokáže odebrat teplo z okolního vzduchu, odpadního vzduchu,
povrchových vod, půdy, vrtů i z podzemní vody. Využitelným zdrojem je i odpadní
teplo technologických procesů.

Typy tepelných čerpadel
Podle způsobu, jakým se uskutečňuje odsávání par z výparníku a zvýšení jejich
tlaku, dělí se tepelná čerpadla na kompresorová (nejběžnější druh), absorpční a
hybridní. Typ tepelného čerpadla se určuje podle druhu ochlazované a ohřívané
látky. Nejobvyklejší kombinace jsou vzduch/voda, vzduch/vzduch, voda/voda,
nemrznoucí kapalina/voda nebo země/voda.
Pro ohřev vody nebo pro vytápění rodinných domků jsou na našem trhu dostupná
kompaktní tepelná čerpadla. U teplovzdušných tepelných čerpadel se často využívá
možnost reverzního chodu - zatímco v zimě topí, v létě vzduch v místnosti ochlazují.
Tyto systémy se rozšiřují zejména v kancelářských prostorách.
V zemědělství jsou rozšířena tepelná čerpadla, která odpadním teplem z chlazení
mléka ohřívají teplou užitkovou vodu. Obdobné aplikace založené na kombinaci
chlazení a ohřevu užitkové vody se používají i v průmyslu.
15

Elektrárna OTEC využívá tepelnou energii moří a oceánů
V podstatě jde o využití teplotního rozdílu mezi teplou vodou při hladině a chladnou
vodou mořských hlubin. Teplotního gradientu využívá pokusná malá elektrárna MINI
OTEC (Ocean Thermal Energy Convertion). Tato elektrárna o instalovaném výkonu
pouhých 50 kW byla postavena u pobřeží Havajských ostrovů. Působením teplé
mořské vody dochází ve výměníku tepla k odpařování amoniakových par, které pak
pohánějí turbínu. Po průchodu turbínou páry opět kondenzují pomocí chladné
hlubinné vody a cyklus se opakuje. Elektrárna MINI OTEC je instalována na palubě
lodi, odkud je do hloubky spuštěna přes 60 m dlouhá hadice. Tou se čerpá chladná
voda potřebná ke kondenzaci par amoniaku.
2.8. Kogenerační jednotky
Kogenerace (kombinovaná výroba elektřiny a tepla) je společná výroba elektřiny a
tepla. Umožňuje zvýšení účinnosti využití energie paliv.
Spalováním uhlovodíkových paliv, nebo využíváním jiných primárních zdrojů tepla v
energetice a v dopravě při použití v motoru či turbíně se pro vlastní mechanickou
práci nebo výrobu elektřiny využije cca 30÷35% energie obsažené v palivu. Vzniká
velké množství nízkopotenciálového tepla, které u běžných motorů z největší části
(cca 50% energetického obsahu paliva) odchází v podobě horkých výfukových plynů
a další ztrátové teplo, které je nutno odvádět z hlediska zachování funkčnosti motoru
chladicí soustavou. Toto teplo představuje tepelné ztráty procesu výroby a přeměny
energie. Vzhledem k fyzikálním omezením (Carnotův cyklus) toto teplo není možno
použít k výrobě mechanické práce nebo elektřiny. U automobilu uniká bez užitku do
okolí, ve velkých tepelných elektrárnách je vypouštěno chladicími věžemi.
Při kogeneračním procesu je toto odpadní teplo výhodně využíváno k ohřevu teplé
vody, vytápění a podobným účelům. Tak je současně využita energie pro výrobu
elektřiny a ztrátové teplo je k dispozici k dalšímu použití. Lze tak dosáhnout přibližně
80% tepelné účinnosti vztažené na energetický obsah výhřevnost paliva. Proto
kogenerace může být jednou z cest snižování emise skleníkových plynů lepším
využitím primárních paliv.
Kombinovaná výroba elektřiny a tepla ve větších zdrojích se uplatní zejména ve
spojení s dálkovým vytápěním, které umožní efektivní využití ztrátového tepla.
Trigenerace
Pomocí absorpčního chladiče je teplo vzniklé v procesu kogenerace možno využít i k
výrobě chladu pro technologické účely nebo klimatizaci. V takovém případě hovoříme
o trigeneraci, společné výrobě elektřiny, tepla a chladu. Častým případem využití
trigenerace je výroba tepla v zimních měsících a výroba chladu v létě. Vedle toho je
však možná i současná výroba všech tří forem energie najednou.

Palivo pro kogenerační jednotky
16
Dominantním palivem pro pohon kogeneračních jednotek je zemní plyn. V
posledních letech však prudce roste počet zařízení využívajících pro svůj provoz
bioplyn, skládkový plyn, kalový plyn nebo jiná alternativní paliva, jako např. důlní plyn
či vodík nebo CNG, LPG nebo benzín či naftu.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií.
Energetické sítě (SMART GRIDS) [online]. 2012 [17.3.2014]. Dostupné z
http://www.narodni-spolek.cz/smart-grids .
[2.]
HORÁK Bohumil, FRIEDRISCHKOVÁ Kristýna. Obnovitelné zdroje energie,
Fotovoltaika a její aplikace. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-25]. Interní dokument
[3.]
Kogenerace. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco
(CA): Wikimedia Foundation, 15. 1. 2014 [cit. 2014-05-25]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kogenerace
[4.]
TEDOM. Co jsou kogenerační jednotky: Vše o kogeneraci a telepných
čerpadlech [online]. Třebíč, 2014 [cit. 2014-05-25]. Dostupné z:
http://kogenerace.tedom.com/co-jsou-kogeneracni-jednotky.html
17
3 Spotřebitelé elektrické energie
Spotřebitelů elektrické energie je mnoho, zaměříme-li se pouze na rodinné domy,
kterým je toto skriptum věnováno můžeme je zatřídit do těchto skupin:
Každodenní používání:
-
-
Osvětlení
Ohřev užitkové vody
Spotřebiče:
o Počítač
o Mikrovlnná trouba
o Varná deska
o Trouba
o Lednice
o Mrazící box
o Varná konvice
o Televize
Zabezpečovací systémy
Elektromobil
Žaluzie
Udržovací systémy (zvonek u dveří, domácí telefon, otvírání dveří)
Garážová vrata
Plot s vraty
Týdenní používání:
-
Pračka
Sušička
Nabíjení mobilu
Fén/ holící stroje
Aku nářadí (vrtačka)
Zahradní nářadí (hoblovací stroj, fréza, pila a jiné)
3.1. Spotřebiče
Udělat z obyčejných spotřebičů součást inteligentní domácnosti a následně pak i
součást chytré sítě není nijak složité. Za chytrý spotřebič můžeme považovat každý
spotřebič současné domácnosti řízený regulačním a automatizačním systémem. Tyto
systémy umožňují na základě dat zadaných uživatelem nebo získaných
z inteligentních elektroměrů řídit spotřebiče. Můžeme také řídit domácnost na dálku a
při připojení alternativních zdrojů elektrické energie do toho systému jich využít
v době špičky. Rychlost komunikace v těchto systémech a v jejich jednotlivých
modulech se pohybuje řádově od 100 Bd - 10 kBd, komunikace je realizována
pomocí CIB sběrnice, nebo pro snadnější instalaci bezdrátově.
18
Příklady systémů:


Teco: Systém Foxtrot [12]
ABB: systém ABB i-bus® KNX, Ego-n®
Všechny tyto systémy lze realizovat v novostavbě, při rekonstrukci nebo i nezávisle
na stavebních pracích. U všech systémů je možnost bezdrátové komunikace mezi
jednotlivými moduly. Usnadňuje se tím instalace do již zařízených a hotových
rodinných domů nebo bytů. Všechny systémy nabízejí přibližně stejné komunikační
možnosti. Zatímco systémy firmy ABB obsahují již inteligentní elektroměry a
spoléhají se hlavně na moduly mateřské firmy, systémy firmy Tecom jsou více
otevřenější. Nabízí volbu vlastního elektroměru i dalších modulů podle ceny nebo
potřeby uživatele. Tímto může dojít k situaci, kdy pod systémem Foxtrot budou
pracovat vypínače a spínače firmy ABB vedle snímačů jiných firem.
Plynoměry, vodoměry a další
Jsou to zařízení, která měří jiné druhy energie než elektrickou, popřípadě se jedná o
jiná zařízení, získávající data. Mezi tyto zařízení můžeme zařadit průmyslové
teploměry, hladinoměry, kalorimetry a další. Tato zařízení komunikují s elektroměrem
mimo jiné pomocí technologie ZigBee a v případě impulsních měřidel pomocí
impulsů.
Vždy dochází k přenosu dat směr z těchto měřidel do elektroměru. V závislosti na
inteligenci těchto měřidel může docházet k jejich řízení nebo konfiguraci povely
vydávanými od elektroměru.
LCD panely, mobilní telefony, PC
Pomocí těchto zařízení je spotřebitel informován o aktuální spotřebě, aktuálně
zvoleném tarifu a jiných užitečných informací. Díky těmto informacím může
spotřebitel měnit spotřebu podle stávající situace, ovládat spotřebiče na dálku mimo
dům a tímto výrazně přispívat k úspoře nákladů na energii. Tyto možnosti přispívají k
záměrům energetických společností regulovat odběr energií, předně však energii
elektrickou.
Inteligentní elektroměry
Inteligentní elektroměry by měly postupně nahrazovat klasické elektroměry. Na rozdíl
od klasických elektroměrů, poskytujících jen údaje o spotřebě a nutné návštěvě
pracovníka pro odečet stavu jednou maximálně dvakrát do roka. Inteligentní
elektroměry umožňují přenos informací nejen od spotřebitele k distribuční síti ale i
naopak.
Tyto data jsou spotřebiteli zobrazována na LCD panelech, mobilních telefonech a
dalších zařízeních. Dále inteligentní elektroměry mohou vykonávat činnosti jako
změna tarifu, spínání relé v závislosti na tarifu, odpojení spotřebitele či jeho omezení.
Pro distributory je s pomocí inteligentních elektroměru snazší odečet spotřeby
19
prováděný na dálku, změna tarifu, nebo odhalení neplatiče. Elektroměr může
obsahovat modem pro PLC síť, po které jsou data přenášena na koncentrátor. Tento
modem může být součástí elektroměru nebo jako modul k stávajícímu elektroměru.
Další ze možností komunikace je přenos pomocí GPRS nebo radiový přenos.
Data koncentrátory
Data koncentrátor představuje rozhraní mezi přenosem dat po elektrické nebo
rádiové síti a jiným přenosem, kterým nejčastěji bývá typ TCP/IP. Data koncentrátor
se nachází v trafostanici, z důvodů nemožnosti přenosu PLC přes transformátor a
pro energetickou společnost je velmi výhodné umístit jej do stávající instalace. Data z
koncentrátoru na server(y) jsou zasílána prostřednictvím LAN, WiFi a v případě
nedostupnosti těchto spojení mohou být přenášena pomocí GPRS.
Servery
Poslední částí v tomto pomyslném řetězci jsou servery, které získaná data
zpracovávají vhodným způsobem. Tyto data jsou rozdělena dle priorit a všechna
nebo jejich část je poskytnuta klientským stanicím. Zaměstnanci operátorského
centra mohou zasílat příkazy a pomocí nich měnit stav jednotlivých zařízení. Díky
tomuto je možné nastavit levnější tarif sítě při přebytku elektrické energie, nebo
předejít kolapsu sítě.
Obr. 3.1. Pyramidová struktura
Pravdou však zůstává, že největší spotřebou elektrické energie v domácnosti je
vytápění a ohřev teplé užitkové vody.
3.2. Bilance a výpočty energetické náročnosti domácnosti při
vytápění a ohřevu teplé užitkové vody
20

Tepelná ztráta
Z energetického hlediska je každý objekt charakterizován jednak svými
energetickými nároky (potřebami energie), jednak svou energetickou náročností
(spotřebami energie). Energetické nároky jsou dány množstvím energie, které objekt
pro svou funkci objektivně potřebuje. Energetická náročnost je faktické množství
nakupované energie, které spotřebují pro svou činnost systémy, kryjící tyto
energetické nároky.
Energetická bilance objektu má tři základní složky:




potřeba tepla na vytápění
potřeba tepla na přípravu TV
spotřeby ostatních domácích spotřebičů
Potřeba tepla na vytápění
Při stanovení spotřeby energie se obvykle vychází z tzv. tepelné ztráty budovy. Tato
ztráta se dříve počítala podle ČSN 060210. Tuto normu v současnosti nahradila
harmonizovaná norma ČSN EN 12831 („Tepelné soustavy v budovách - Výpočet
tepelného výkonu“).
Obr. 3.2. Tepelná ztráta obálkou budovy
Tzv. měrná tepelná ztráta je charakteristická pro danou budovu a je nezávislá na
venkovní nebo vnitřní teplotě. Celkovou měrnou tepelnou ztrátu domu Hc [W/K]
můžeme rozdělit na dvě složky a to tzv. měrnou tepelnou ztrátu prostupem
(konstrukcemi) a větráním. Velikost měrné tepelné ztráty prostupem je přímo úměrná
ploše jednotlivých konstrukcí a jejich tepelně – izolačními vlastem (součiniteli
21
prostupu tepla). Velikost měrné tepelné ztráty větrání je zase přímo závislá na
intenzitě větrání domu.
Měrná tepelná ztráta prostupem
Výpočet měrné ztráty prostupem tepla HT [W/K] je podrobně popsán v ČSN EN ISO
13789 a vypočte se dle vztahu:
kde
LD je tepelná propustnost obvodovým pláštěm mezi vnitřním vytápěným
prostorem a vnějším prostředím,
LS ustálená tepelná propustnost přes zeminu (ČSN EN ISO 13370),
Hu měrná ztráta prostupem tepla přes nevytápěné prostory (ČSN EN ISO
13789).
Měrná tepelná ztráta větráním
Měrná tepelná ztráta větráním Hv [W/K] se dle ČSN EN 832 stanoví ze vztahu.
kde
V je objemový tok vzduchu v budově, včetně výměny vzduchu nevytápěnými
prostory,
ρaca je tepelná kapacita vzduchu o jednotkovém objemu.
Objemový tok vzduchu může být vypočítán ze stanovené výměny vzduchu n takto:
kde V je objem vytápěného prostoru z vnitřních rozměrů, n je intenzita výměny
vzduchu.
Při výpočtu tepelné ztráty v obytných budovách přirozeně větraných se zpravidla
uvažuje intenzita větrání nejméně 0,5 h-1 (tj. vzduch v místnosti se vymění jednou za
2 hodiny).
Celková tepelná ztráta
Když stanovíme dílčí složky měrné tepelné ztráty jsme schopni stanovit měrnou
tepelnou ztrátu, která charakterizuje daný objekt. Abychom však mohly navrhnout
skutečný výkon otopné soustavy a zdroje vytápění musíme stanovit tzv. celkovou
tepelnou ztrátu [W].
(
kde
ti je požadovaná vnitřní teplota,
22
)
te je extrémní venkovní teplota (dle teplotní oblasti).
Výpočet tepelných ztrát slouží pro dimenzování vytápěcího systému. Pro stanovení
potřebného výkonu zdroje tepla je možné vypočítat tepelnou ztrátu celého objektu.
Pro stanovení potřebného výkonu otopných těles je nutné stanovit tepelnou ztrátu
jednotlivých místností.
Ve vypočtu tepelné ztráty je nutno neopomenout žádný parametr, který ovlivňují její
výslednou velikost, protože je důležité, aby otopná soustava měla dostatečný výkon i
při nejnižších ročních teplotách. Například do součinitele prostupu tepla zahrneme
přirážku, která zohledňuje tepelné mosty (viz kapitola 3.2 Stavební konstrukce –
tepelné mosty, tepelné vazby). Na druhou stranu není nutné zdroje vytápění ani
otopná tělesa zbytečně předimenzovávat, vzhledem k nemalým investičním
nákladům a také jejich optimálnímu provozu. Takto stanovená ztráta se uvádí
obvykle v projektové dokumentaci domu.

Výpočet roční potřeby tepla na vytápění
Kolik tepla nám z budovy unikne, jinak řečeno kolik spotřebujeme na vytápění, závisí
nejen na rozdílu mezi vnitřní a vnější teplotou, ale také na době, po kterou topné
období trvá.
Vypočet potřeby tepla na vytápění přes denostupně vychází z dlouhodobých
sledování délky otopných období v ČR. U rodinných domků je to velmi individuální.
Ve velmi dobře izolovaných (nízkoenergetických) domech bývá topná sezóna kratší.
Pro bytové domy zásobované z centrálního zdroje předepisují předpisy začátek
topné sezóny tehdy, když průměrná denní teplota poklesne 3 dny po sobě pod 13°C.
Díky tomu, že závislost tepelné ztráty na teplotě je lineární, je možné se vyhnout
integraci a použít jednodušší vzorec s takzvanými denostupni D což je vlastně součin
počtu dnů kdy je třeba vytápět a rozdílu průměrné vnitřní teploty v domě a průměrné
venkovní teploty ve vytápěcím období.
Počet denostupňů D se pak vypočte dle vzorce:
(
)
Pro ČR jsou průměrné hodnoty:
D = 3 678 denostupňů
d = 242 dní (vytápěcí sezóny)
tim = 19°C (průměrná vnitřní teplota)
tem = 3,8°C (střední venkovní teplota v době vytápěcí sezóny)
V tabulce najdeme pro jednotlivé lokality i údaj o délce trvání topného období v
závislosti na tom, při jaké vnější teplotě začínáme topit. Pro každou lokalitu je také
stanovena průměrná venkovní teplota v otopném období.
Lokalita (místo
Nadmořská
Venkovní
23
Otopné období pro tem
měření)
Benešov
Beroun (Králův Dvůr)
Blansko (Dolní Lhota)
Brno
Bruntál
Břeclav (Lednice)
Česká Lípa
České Budějovice
Český Krumlov
Děčín (Březiny,
Libverda)
Domažlice
Frýdek-Místek
Havlíčkův Brod
Hodonín
Hradec Králové
Cheb
Chomutov (Ervěnice)
Chrudim
Jablonec nad Nisou
(Liberec)
Jičín (Libáň)
Jihlava
Jindřichův Hradec
Karlovy Vary
Karviná
Kladno (Lány)
Klatovy
Kolín
Kroměříž
Kutná Hora (Kolín)
Liberec
Litoměřice
Louny (Lenešice)
Mělník
Mladá Boleslav
Most (Ervěnice)
Náchod (Kleny)
Nový Jičín
výška
h[m]
327
229
273
227
546
159
276
384
489
výpočtová teplota
te[°C]
-15
-12
-15
-12v
-18v
-12
-15
-15
-18v
= 13°C
tes[°C]
3,9
4,1
3,7
4
3,3
4,4
3,8
3,8
3,5
d[dny]
245
236
241
232
271
224
245
244
254
141
-12
4,2
236
428
300
422
162
244
448
330
276
-15v
-15v
-15v
-12
-12
-15
-12v
-12v
3,8
3,8
3,3
4,2
3,9
3,6
4,1
4,1
247
236
253
215
242
262
233
238
502
-18v
3,6
256
278
516
478
379
230
380
409
223
207
253
357
171
201
155
230
230
344
284
-15
-15
-15
-15v
-15
-15
-15v
-12v
-12
-12v
-18
-12v
-12
-12
-12
-12v
-15
-15v
3,9
3,5
3,5
3,8
4
4,5
3,9
4,4
3,9
4,4
3,6
4,1
4,1
4,1
3,9
4,1
3,7
3,8
234
257
256
254
234
258
248
226
227
226
256
232
229
229
235
233
250
242
24
Nymburk
(Poděbrady)
Olomouc
Opava
Ostrava
Pardubice
Pelhřimov
Písek
Plzeň
Praha (Karlov)
Prachatice
Prostějov
Přerov
Příbram
Rakovník
Rokycany (Příbram)
Rychnov n/Kněžnou
(Slatina)
Semily (Libštát)
Sokolov
Strakonice
Svidník
Svitavy (Moravská
Třebová)
Šumperk
Tábor
Tachov (Stříbro)
Teplice
Trutnov
Třebíč (Bítovánky)
Uherské Hradiště
(Buchlovice)
Ústí nad Labem
Ústí nad Orlicí
Vsetín
Vyškov
Zlín (Napajedla)
Znojmo
Žďár nad Sázavou
186
-12v
4,2
228
226
258
217
223
499
348
311
181
574
226
212
502
332
363
-15
-15
-15
-12v
-15v
-15
-12
-12
-18v
-15
-12
-15
-15
-15
3,8
3,9
4,0
4,1
3,6
3,7
3,6
4,3
3,8
3,9
3,5
3,8
4,0
3,5
231
232
229
234
257
247
242
225
267
228
252
230
250
252
325
-15
3,5
254
334
405
392
220
-18v
-15v
-15
-18v
3,4
3,9
3,8
3,0
259
254
249
237
447
-15
3,4
248
317
480
496
205
428
406
-15v
-15
-15
-12v
-18
-15
3,5
3,5
3,6
4,1
3,3
3,1
242
250
250
230
257
263
181
-12v
3,6
233
145
332
346
245
234
289
572
-12v
-15v
-15
-12
-12
-12
-15
3,9
3,6
3,6
3,7
4,0
3,9
3,1
229
251
236
229
226
226
270
Tab. 3.1. Venkovní výpočtové teploty a otopná období dle lokalit
25
Je důležité si uvědomit, že pro výpočty se používají průměrné hodnoty (zpravidla
padesátiletý či třicetiletý průměr) a skutečná spotřeba tepla v určitém roce může být
dost odlišná. V poslední době se zdá, že se snižuje.
Roční potřeba tepla se pak vypočte dle vzorce:
(
)[
]
kde:
Qc je výpočtová tepelná ztráta ve W
ε je opravný součinitel
D je počet denostupňů
ti je vnitřní teplota (obvykle 20°C)
te je vnější výpočtová teplota (podle oblasti -12°C, -15°C, -18°C ).
Určení součinitele ε je možné podle vztahu:
součinitel nesoučasnosti
εn
starší vícepodlažní domy
0,90
RD starší
0,85
moderní bytové domy
0,80
moderní a nízkoenergetické domy
0,75
Tab. 3.2. oučinitel zohledňující nesoučasnost působení jednotlivých vlivů na tepelnou
ztrátu
součinitel regulace
εr
ruční regulace
1,10
termostat v referenční místnosti
1,04
ekvitermní regulace
1,00
Tab. 3.3. Součinitel zohledňující vliv regulace
součinitel útlumů teplot
εu
vícepodlažní domy
0,95
26
rodinné domy
0,84
bez útlumu
1,00
Tab. 3.4. Součinitel zohledňující teplotní útlumy
součinitel vlivu otopného systému
εs
teplovodní
1,00
teplovzdušný
0,95
sálavý
1,05
Tab. 3.5. Součinitel zohledňující vlastnosti otopné soustavy
součinitel zvýšení teploty
εt
zvýšení o 1°C
1,06
zvýšení o 2°C
1,12
zvýšení o 3°C
1,18
Tab. 3.6. Součinitel zohledňující zvýšení vnitřní teploty oproti výpočtové
V uvedeném vzorci je největší nejistota ohledně opravného součinitele ε. "Vhodnou"
volbou součinitele lez dojít k zásadně odlišným hodnotám. Proto je potřeba volit ho
obezřetně. (Pouze pokud nejsou dostupné informace potřebné pro jeho určení, bere
se obvykle hodnota 0,9.)
Nevýhodou tohoto výpočtu je, že zcela opomíjí využitelnost tepelných zisků.
Skutečná potřeba tepla na vytápění je zpravidla nižší, protože potřebu tepla snižují
solární zisky a vnitřní tepelné zisky.
Tento typ výpočtu se používá i pro hodnocení návrhu úsporných opatření v
energetických auditech. Výhoda tohoto výpočtu je v porovnatelnosti skutečných
spotřeb objektu z uplynulých let s výpočtovými hodnotami. Do bilance potřeby tepla
na vytápění je však nutné zahrnout vliv tepelných zisků. Pro jejich výpočet je možné
použít například metodiku, která je popsána v ČSN EN 832.

Výpočet roční potřeby tepla na vytápění – měsíční
Základem výpočtu roční potřeby tepla na vytápění dle ČSN EN 832 (tzv. měsíční
výpočet) je energetická bilance budovy, která obsahuje následující položky:



ztráty prostupem tepla a větráním mezi vnitřním a vnějším prostředím,
užitečné vnitřní tepelné zisky,
využité solární zisky,
27


ztráty při výrobě a distribuci, emisní ztráty a ztráty regulací vytápěcího
systému,
vstup energie do otopné soustavy.
Obr. 3.3. Schéma tepelné bilance budovy
Výpočet potřeby tepla probíhá po jednotlivých měsících v roce. Roční potřeba tepla
je sumou hodnot potřeb tepla ze všech měsíců, pro které je venkovní teplota nižší
než požadovaná vnitřní teplota. Pro výpočet jsou potřebné průměrné vnější teploty a
dopadající sluneční záření pro všechny měsíce.
Měsíc
Počet
dnů
Teplota Celková
exteriéru [MJ/m2]
energie
globálního
slunečního
záření
Sever
Jih
Východ
Západ
Horizont
1.
31
- 2,4 °C
47
104
58
58
76
2.
28
- 0,9 °C
72
162
97
97
133
3.
31
3,0 °C
115
234
162
162
259
4.
30
7,7 °C
158
292
238
238
410
5.
31
12,7 °C
209
313
299
299
536
6.
30
15,9 °C
216
284
292
292
526
7.
31
17,5 °C
212
292
288
288
518
28
8.
31
17,0 °C
184
320
277
277
490
9.
30
13,3 °C
126
256
187
187
313
10.
31
8,3 °C
86
220
126
126
205
11.
30
2,9 °C
47
112
61
61
90
12.
31
- 0,6 °C
32
72
40
40
54
Tab. 3.7. Průměrné měsíční vnější teploty a dopadající záření pro Prahu
Tepelné ztráty Ql a tepelné zisky Qg se vypočítávají pro každý časový úsek výpočtu.
Potřeba tepla na vytápění pro každý časový úsek výpočtu se stanoví ze vztahu:
Stupeň využití tepelných zisků η je redukčním činitelem tepelných zisků. Zavádí se
do energetické bilance pro zohlednění dynamického chování budovy. Přičemž Ql = 0
a η = 0, je-li průměrná vnější teplota vyšší než požadovaná vnitřní teplota.
Celková spotřeba energie
Pro dané období se potřeba energie Q, kterou je třeba do otopné soustavy dodat,
stanoví takto:
kde
Q je potřeba energie na vytápění budovy,
Qr teplo zpětně získané z přídavných zařízení, z vytápěcího systému a z
okolního prostředí,
Qh potřeba tepla pro vytápění budov,
Qw potřeba tepla na ohřev teplé užitkové vody,
Qt celková tepelná ztráta vytápěcího systému.
Měsíční výpočet je mnohem přesnější než denostupňová metoda a je schopen
stanovit potřebu tepla na vytápění, která bude více odpovídat skutečné realitě. Proto
se tento typ výpočtu používá např. k vyčíslení předpokládaných provozních nákladů
na vytápění apod. Tvoří také základ vypočtu energetické náročnosti budovy.
Tepelné zisky

Zisky od osob
Lidé jako teplokrevní živočichové neustále produkují teplo, tzv. metabolické. Výkon
závisí na činnosti. Dospělý člověk produkuje ve spánku cca 50 W, při sezení a
nenamáhavé činnosti 80 až 100 W, při špičkovém fyzickém výkonu až 1000 W.
29

Zisky od spotřebičů
Většina energie, kterou domácí spotřebiče odeberou ze sítě, se přemění na teplo.
Toto teplo vesměs přispívá k vytápění domu. Výjimkou je zejména pračka, kde teplo
odchází s vodou do kanalizace. Dále pak sporáky a trouby, kdy je v době provozu
potřeba intenzivněji větrat (kvůli páře, odérům a případně zplodinám ze spalování
zemního plynu), takže velká část tepla odchází nevyužita pryč.

Energetický přínos lze odhadnout z příkonu a doby využití spotřebičů.
Pasivní solární zisky
Množství slunečního záření, které dopadne na okno, závisí na orientaci okna a jeho
zastínění. Při výpočtu je dále třeba zohlednit plochu rámu okna (na výkresech se
uvádí rozměry okenního otvoru, plocha zasklení je o 15 až 40% menší). Velkou roli
hraje i zastínění záclonami, žaluziemi a podobně.
Mimoto je nutno si uvědomit, že ne všechny solární zisky lze využít pro vytápění. V
případě slunných dnů mohou být zisky větší, než je tepelná ztráta příslušné
místnosti. Dojde tedy buď k přehřátí místnosti (tím se část zisků naakumuluje do
hmoty domu), nebo jsou zisky odvětrány, aby byla v místnosti snesitelná teplota.
Zejména u lehkých budov (dřevostavby, podkrovní vestavby) je stupeň využití
solárních zisků relativně nízký. U těžkých budov je situace lepší. Nejlepší je z tohoto
hlediska vybavit dům centrálním větráním s rekuperací tepla, které zajistí nejvyšší
využití nejen solárních, ale i ostatních vnitřních tepelných zisků.
Ztráty tepla v rozvodech
Ztráty tepla v rozvodech vytápění
U ústředního vytápění, kde je zdroj tepla umístěn zpravidla v nevytápěném prostoru
(např. ve sklepě), je třeba počítat s tím, že nějaké teplo unikne ještě dříve než se
dostane do topných těles. Spíše než u rodinných domků se tyto ztráty uplatní v
panelových domech, kde jsou vzdálenosti, na které teplo vedeme delší. Tyto ztráty
lze snížit dobrou tepelnou izolací rozvodů tepla (potrubí).
druh izolace
úbytek
energie
úspora
energie
úspora provoz.
nákladů
pořizovací cena
izolace
[W.h/m]
[W.h/m]
[Kč/rok.m]
[Kč/m]
žádná
432
0
0
0
plsť
180
252
1184
4
pěnový
polystyrén
113
319
1499
10
30
pěnový PE MIRELON
28
404
1898
37
Tab. 3.8. Porovnání úspory energie a provozních nákladů
Pozn.: Porovnání úspory energie a provozních nákladů v závislosti na způsobu
izolace stoupacího potrubí z PP typu 3 o průměru 40 mm při běžném provozu (průtok
0,7 m3/hod, cena tepla 150 Kč/GJ), při teplotě vody 55 °C a teplotě okolí 18 °C.
Izolační paradox: Tenké kovové trubky (asi do 8 mm průměru) nelze efektivně
izolovat Povrchová plocha rozvodu byla tak velká, že by docházelo k větším
tepelným ztrátám než u neizolovaného rozvodu.

Ztráty tepla v rozvodech TV
Tepelné ztráty v rozvodech TV jsou kromě ztráty energie spojeny často i se ztrátou
vody, protože musíme odpustit celý objem vody v potrubí od ohřívače k výtokové
baterii, než začne téci teplá voda. U delších rozvodů se odpouštění vychladlé vody
zamezuje použitím cirkulační smyčky (cirkulace), která zajistí stále teplou vodu v
rozvodu TV, ale za cenu značného zvýšení tepelných ztrát.
Jediný rozumný způsob jak snížit tepelné ztráty v rozvodech je rozmístit výtoková
místa tak, aby nejčastěji používané výtoky byly nejblíže k ohřívači vody, nebo použít
více lokálních ohřívačů.
Výpočet potřeby tepla pro přípravu TV
Skutečná spotřeba TV je velice závislá na zvyklostech lidí a jejich životním stylu. Na
rozdíl od spotřeby tepla na vytápění je odhad skutečného množství tepla potřebného
na přípravu TV velmi nejistý.
U staveb pro bydlení norma ČSN 06 0320 počítá se spotřebou TV na 1 osobu s
0,082 m3/den, čemuž odpovídá spotřeba tepla 4,3 kWh/osobu za den. V praxi je
spotřeba vody a tepla nižší a pohybuje se kolem 3 kWh/osobu za den.
Pro orientační určení množství tepla na přípravu TV lze použít např. tabulky, které
vychází z platných norem.
baterie
parametr
značka jednotka
umyvadlo dřez
sprcha vana
1
počet dávek
nd
-
3
0,8
objem dávek
Vd
m3
0,03
0,002 0,025
0,025
teplo v dávkách
Ed
kWh
1,5
0,1
1,4
součet objemu dávek
V2p
m3
0,082
31
1,3
0,3
součet tepla v dávkách E2p
kWh
4,3
Tab. 3.9. Potřeba TV pro 1 osobu a den v bytovém objektu
3.3. Řízení spotřebičů v domácnostech
Úvod do automatizace budov
Na základě úrovně a šíře kladených požadavků na multifunkční užití budov a jejich
parametry (tzv. chytré nebo inteligentní budovy), je zřejmé, že v blízké budoucnosti
má velkou perspektivu použití integrovaných řídicích a komunikačních systémů v
budovách. Tyto systémy dovolují bez podstatných zásahů reagovat na nové
požadavky obyvatel budovy v oblasti využití a provozování budovy. Dále tyto
systémy dovolují reagovat na potřeby obyvatel při řízení provozu budov,
zabezpečení objektu i zabezpečení uživatelů budovy (např. zdravotnictví, péče o
seniory). Tyto systémy dovolují také vhodně implementovat rozvíjející se
komunikační a řídicí technologie bez významných stavebních úprav.
Úroveň a kvalita provedení automatizace budov pro ovládání provozně technických
funkcí v rezidenčních a komerčních objektech v poslední době neustále narůstá.
Systémy pro řízení provozně technických funkcí v budovách přicházely na trh
postupně s rozvojem procesní automatizace v průmyslu.
Z hlediska majitelů a obyvatel budov nebo investorů jsou při návrhu a implementaci
systému služeb a produktů pro realizaci projektů inteligentních budov požadovány
detailní informace, které se týkají:

potřeb obyvatel a jejich očekávání,

uživatelského rozhraní,

bezpečnosti,

parametrů širšího okolí a místní sítě,

požadavků na služby a způsobu jejich používání,

užitých nebo předpokládaných technických zařízení,

principů systémové architektury,

informací o systému týkající se jeho instalace, komponent, provozu a
údržby.
Na základě těchto informací může být proveden souhrn oblastí (tříd) zákaznických
požadavků. Tyto požadavky jsou uvedeny v tabulce. Z této tabulky je zřejmé, že
integrovaný systém v budově obsahuje nejenom technické položky, ale také
institucionální položky.
Třída
technických Spolehlivost a kvalita služeb
32
požadavků
Technika prostředí,
management
spotřeba
energie
a
její
Dostupnost zařízení
Komunikace
Kompatibilita a zaměnitelnost
Kompatibilita s existujícími službami
Zdravotní péče
Bezpečnost
Třída sociálních požadavků
Zabezpečení soukromí
Sociální péče
Informační služby
Nákladová bilance
Uživatelské rozhraní
Třída
požadavků
uživatelských
Přátelské prostředí
Možnost personalizace
Komfort a jednoduchost užití
Tab. 3.10. Rozdělení zákaznických požadavků do jednotlivých tříd
Výše uvedené položky mohou být sdruženy do základních skupin:

řízení kvality vnitřního prostředí včetně energetického managementu
zahrnující technické alarmy,

dálkové měření spotřeby energií a medií,

domovní informační a řídicí systém zahrnující simulace přítomnosti,
monitorování zdravotního stavu obyvatele a jeho bezpečnosti,

domovní zabezpečovací a kamerový systém CCTV (Closed Circuit
Television, uzavřený televizní okruh),
33

detekce neoprávněného vstupu,

požadavky na údržbu zahrnující vzdálenou diagnózu systému,

práce z domova,

vzdělávání (e-learning),

videokonference,

společenská péče zahrnující videokonference,

zábava.
Jak je vidět z výše uvedených skupinových požadavků, předpokládají inteligentní
systémy vybudovanou externí síť navazujících služeb a poskytovatelů služeb (SSP).
SSP může vytvářet řetězce služeb, které mohou prostřednictvím určitých indikátorů
(například spotřeba energií) monitorovat některé další indikátory jako je stav obyvatel
v monitorovaném domě, neoprávněný vstup, ohrožení, havárie apod. Například
monitorováním spotřeby vody může být monitorován stav starších osamocených lidí
v domě a tento monitorovací systém spotřeby vody monitorovaného zařízení
(případně celé budovy) může být napojen na pečovatelské služby, zahrnující
zdravotní služby apod.
Poptávka na trhu s komponenty určenými pro automatizaci budov v současnosti stále
roste. Je to způsobeno poptávkou nejen ze strany investorů a majitelů objektů, ale
také ze strany jednotlivých vlád členských zemí Evropské unie, která klade velký
důraz na úspory energií v budovách.
Konkrétně byla 19. Května 2010 schválena novela směrnice Evropského parlamentu
a Rady Evropy 2010/31/EU o energetické náročnosti budov, která vstoupila v
platnost dnem 31. května 2010. Tato novela definuje povinnosti jednotlivých států
včetně, termínů plnění i sankcí. Cílem je do roku 2020 „přinutit“ členské státy
Evropské unie, aby všechny budovy, postavené od tohoto roku měly téměř nulovou
spotřebu energie.
Novela definuje také dílčí cíle:

zavedení energetických standardů při rekonstrukci budov,

motivaci trhu rozšířením a zveřejňováním energetických průkazů budov,

zavedení pravidelných kontrol správné funkčnosti energetického vybavení
budov a využití obnovitelných zdrojů v budovách.
Novela je součástí postupně stupňujícího se boje s globálním oteplováním. Česká
republika má za povinnost akceptovat tuto směrnici a může se sama rozhodnout, jak
nastavit její parametry. Zde je velký prostor pro nárůst uplatnění automatizace budov
a sběrnicové techniky budov.
34
V souvislosti s používáním správné terminologie se spolu s pojmem automatizace
budov pro ovládání provozně technických funkcí v budovách objevují také další
termíny jako systémová technika budov, „inteligentní budovy“, „chytrý dům“, digitální
dům“, „domácí automatizace“, „automatizace budov“, „inteligentní elektroinstalace“,
„moderní elektrické instalace“, „systémová elektrická instalace“ nebo „domotika“.

Definice a odborné termíny
K vyjasnění uvedených pojmů jistě poslouží následující definice:
Automatizace budov, přesněji automatizační a řídicí systém budov (BASC –
Building Automation and Control System) je digitální měřicí, kontrolní, regulační a
řídicí technika pro technické vybavení budov.
Automatizovaný systém řízení je systém, který samočinně vyhodnocuje okamžitý
stav snímaných fyzikálních veličin a při jejich změně nad stanovenou mez zpravidla
provádí regulační zásah. Někdy může být zpráva o překročení provozních parametrů
pouze předána obsluze (opticky – alfanumerické hlášení, akusticky – siréna apod.) a
samotný zásah ponechán na rozhodnutí obsluhy.
Termín „automatizace budov“ je nadřazený a obecnější. Je v něm v podstatě
zahrnuta i definice termínu „systémová technika budov“. Automatizace budov byla
nejprve aplikována v účelových budovách pro regulaci vytápění, klimatizace a
ventilace (HVAC) pomocí implementovaných DDC – modulů. DDC moduly jsou
nejčastěji propojeny s velínem nebo řídicím počítačem pro usnadnění ovládání,
přičemž vznikaly sítě, které pokrývaly jednotlivé stanice.
DDC modul (Direct Digital Controller) – je monitorovací a řídicí jednotka, určená
pro regulaci a řízení provozně technických funkcí v budovách a pro monitorování
jejich stavů.
Obr. 3.4. Příklad provedení řídicí jednotky (DDC – modulu)
35
MaR je zkratka pro měření a regulaci provozně technických funkcí v budovách.
Systémová technika budov (STB) je speciální částí automatizace budov. STB
popisuje propojení sítí, sestavených ze systémových komponent a účastnických
stanic pomocí instalační sběrnice (Installation Bus) do jednoho systému. Tento
systém je sladěný s elektroinstalací tak, že zajistí funkce, provozní fungování a
propojení v příslušné budově. Inteligence systému je distribuována na jednotlivé
komponenty, tzv. účastníky sběrnicového systému. Informační toky probíhají mezi
jednotlivými účastníky.
DHCP protokol (anglicky Dynamic Host Configuration Protocol) je v informatice
název protokolu z rodiny TCP/IP nebo označení odpovídajícího DHCP serveru či
klienta. Používá se pro automatickou konfiguraci počítačů připojených do počítačové
sítě. DHCP server přiděluje počítačům pomocí DHCP protokolu zejména IP adresu,
masku sítě, implicitní bránu a adresu DNS serveru. Platnost přidělených údajů je
omezená, proto je na počítači spuštěn DHCP klient, který jejich platnost prodlužuje.
DHCP protokol umožňuje prostřednictvím DHCP serveru nastavovat stanicím v
počítačové síti sadu parametrů nutných pro komunikaci pomocí IP protokolu (tj.
využívat rodinu protokolů TCP/IP). Umožňuje předávat i doplňující a uživatelsky
definované parametry. Významným způsobem tak zjednodušuje a centralizuje
správu počítačové sítě (například při přidávání nových stanic, hromadné změně
parametrů nebo pro skrytí technických detailů před uživateli). DHCP servery mohou
být sdruženy do skupin, aby bylo přidělování adres odolné vůči výpadkům. Pokud
klient některým parametrům nerozumí, ignoruje je.
Technická zařízení budov (TZB) zahrnují vybavení nezbytná pro provoz budov. K
nejdůležitějším technickým zařízením patří ta, která zajišťují vnitřní prostředí budovy,
tzn. dodávka tepla, chladicích médií, čerstvého vzduchu, vody a elektrické energie. K
tomu dále přistupují zařízení na likvidaci odpadů, zařízení pro kanalizaci a odpadní
vody, výtahy atd. Klasifikace tzv. technických zařízení a vybavení budov se řídí podle
profesí, které tato zařízení instalují (vodovody, kanalizace, vytápění,
vzduchotechnika, elektroinstalace, větrání, klimatizace, výtahy, protipožární
signalizace, žaluzie, atd.).
Inteligentní dům je definován jako budova vybavená počítačovou a komunikační
technikou, která předvídá a reaguje na potřeby uživatelů s cílem zvýšit jejich komfort,
pohodlí, snížit spotřebu energií, poskytnout bezpečí a zábavu pomocí řízených
technologií v domě a jejich interakci s vnějším světem.
Jedna z nejpřesnějších definic Inteligentních budov byla podána R. J. Caffreyem
(1985) z IBI (Intelligent Buildings Institute) ve Washingtonu: „Inteligentní budova je
taková budova, která poskytuje produktivní a rentabilní prostředí prostřednictvím
optimalizace svých čtyř elementů a vztahy mezi nimi:

konstrukce budovy,

použitých systémů v budově,
36

služeb,

managementu
Cílem majitelů budov nebo správců majetku je, aby budova měla co nejlevnější a
nejefektivnější provoz, aby měla zajištěn management energií, komfort, bezpečnost,
flexibilitu při změně provozně technických funkcí v budově popřípadě, aby byla
zajištěna prodejnost budovy. Jestliže tyto požadavky budova splňuje, lze ji označit
jako budovu inteligentní“.
Výčet provozně technických funkcí v inteligentních budovách v sobě zahrnuje
jednak zařízení nezbytná pro provoz budov, ale také zařízení pro zajištění komfortu,
úspory energií a bezpečnosti majitele nebo uživatele budovy. Tyto provozně
technické funkce lze řídit, ovládat nebo regulovat například pomocí aktorů nebo
akčních členů. Těmito funkcemi jsou například vytápění, větrání, klimatizace,
chlazení (HVAC - Heating, Ventilating and Air Conditioning), ohřev vody, řízení
osvětlení, řízení slunečních kolektorů, vizualizace, napojení na bezpečnostní systém
(elektrické zabezpečovací systémy - EZS, elektrické požární systémy - EPS,
kamerové systémy - CCTV), docházkové systémy, systémy vyúčtování a úhrad
provozních výdajů budov, multimédia, ovládání výtahů, centrální funkce řízení,
ovládání zavírání oken, dveří, garážových vrat, vstupních bran, zastínění oken,
ovládání žaluzií a markýz, zalévání, bazénové technologie, vyhřívání venkovních
ploch a okapů, optimalizace využití energií (management energií) v budově, domácí
kino, domácí počítač, telefon, televize, stereo video, sporák a digestoř, mikrovlnná
trouba, chladnička, myčka nádobí, sušička, pračka, drobné domácí přístroje, atd.
Podle účelu použití lze rozdělit inteligentní budovy do několika sektorů následujícím
způsobem:

průmyslový sektor – což jsou automatizované průmyslové objekty atd.,

rezidenční sektor - inteligentní rodinné domy nebo komfortní byty,

terciální sektor (účelové budovy) - inteligentní budovy s rozšířenou funkcí,
kancelářské budovy, (oblast služeb ve zdravotnictví, školství, obchodní síť,
bankovnictví, soudnictví, bezpečnost (policie, vojsko) a věda) atd.
37
Obr. 3.5. Příklad oblastí použití sběrnicové techniky budov
Míru „inteligence“ budovy lze rozdělit do následujících pěti stupňů. Tyto stupně na
sebe navzájem navazují. Každý vyšší stupeň v sobě automaticky zahrnuje všechny
schopnosti stupňů nižších. Stupni 4. a 5. se v současné době zabývají převážně
výzkumné projekty.
Komerčně běžně dostupná technologie pokrývá stupně 1 až 3, u některých
specializovaných týmů i stupeň 4:
1. stupeň – obsahující inteligentní zařízení a systémy. Dům obsahuje samostatná
inteligentně fungující zařízení a systémy, které pracují nezávisle na ostatních.
Příkladem může být systém řízení osvětlení, který pomocí snímače přítomnosti
osoby a snímače úrovně osvětlení rozsvítí světla při vstupu člověka do místnosti
pouze v případě, že není dostatek venkovního osvětlení.
2. stupeň – obsahující inteligentní komunikující zařízení a systémy. Dům
obsahuje inteligentně fungující zařízení a systémy, které si z důvodu zdokonalení své
činnosti vyměňují informace a zprávy mezi sebou. Například po zamčení vchodových
dveří se automaticky zapne bezpečnostní systém domu, vyšle se příkaz pro zhasnutí
všech světel, pro stažení rolet v přízemí, pro vypnutí hudby, televizí a pro snížení
nastavené teploty topení. Domácí kino v obývacím pokoji může být napojené na
počítač v pracovně a umožnit tak přehrávat na něm uložené fotografie, hudbu i filmy.
3. stupeň - propojená budova. Budova je propojena pomocí vnitřní a vnější
komunikační sítě. Umožňuje interaktivní vzdálené ovládání systémů, přístup ke
službám a informacím odkudkoliv z domu i mimo něj. Například bezpečnostní systém
v případě poplachu rozsvítí všechna světla v domě a na zahradě (zároveň zakáže
jejich zhasnutí pomocí vypínačů na zdech), vytáhne rolety, roztáhne závěsy, aby bylo
vidět dovnitř domu, přivolá bezpečnostní službu a umožní vzdálený přístup k
záznamům bezpečnostních kamer. Zavlažovací systém pravidelně získává pomocí
internetu předpověď počasí a optimalizuje množství závlahy.
4. stupeň - učící se budova. Tato budova zaznamenává aktivity v domě a používá
nashromážděné údaje pro samočinné ovládání technologií podle předvídatelných
38
potřeb uživatelů. Příkladem může být ovládání světel a topení podle obvyklého
způsobu používání. Na tomto stupni je zajímavé, že by se ušetřily náklady na
programování a nastavování řídicího systému inteligentního domu, které jsou na
nižších stupních nezbytné pro přizpůsobení konkrétnímu domu a zvyklostem
obyvatel.
5. stupeň - pozorná budova. Aktivity a okamžitá poloha lidí a předmětů v domě jsou
neustále vyhodnocovány. Technologie jsou samočinně ovládány podle předvídaných
potřeb. Na rozdíl od stupně 4, kde jsou používány historické údaje, zde vše probíhá v
reálném čase. Používá se zde například speciální podlaha pro snímání kroků osob
pro identifikaci různých lidí a určení místa, kde se právě nacházejí.
Systémová technika budov se s výhodou uplatní při rekonstrukci a výstavbě
účelových budov, galerií, letišť, sportovních hal, výrobních hal, správních budov,
kancelářských budov, hotelů, penzionů, bank, muzeí, pojišťoven, domovů pro
seniory, nemocnic, škol, bytů, supermarketů, rodinných domů.
Nejznámějšími a v praxi nejvíce rozšířenými sběrnicovými systémy jsou systémy
KNX/EIB, LonWorks, BACnet pro výstavbu velkých účelových budov a větších
komplexů budov. Pro menší účelové budovy a rodinné domy jsou v České republice
používány sběrnicové systémy NIKOBUS, Xcomfort, Ego-n, INELS, Domintell,
Devilink, MyHome, Synco Living a další.
KNX/EIB je standardizovaný otevřený komunikační systém podle normy EN 50090,
který se v technických systémech budov používá k informačnímu propojení účastníků
sběrnicového systému (snímače, akční členy, regulátory, řídicí a regulační panely,
obslužná, servisní, diagnostická, vizualizační, operátorská a dispečerská zařízení).
Certifikace zařízení KNX/EIB a vývoj sběrnicových systémů je zajišťování v
koordinaci s KNX (Konnex) Association (www.knx.org). Proto takto certifikované
přístroje a sběrnice nesou označení KNX/EIB – Evropská instalační sběrnice –
European Installation Bus/KNX.
LonWorks je sběrnicový systém, standardizovaný normou EN14908. Použitá
zařízení a přístroje jsou vybaveny vlastní distribuovanou inteligencí a jsou napojeny
na lokální operační síť. Pro tuto techniku se používá zkratka LON, která je odvozena
z anglického termínu Local Operating Network.
BACnet je zkratka pro Building Automation and Control Network. Jedná se o
komunikační protokol pro automatizační a řídicí systém budov, vyvinutý mezinárodní
technickou společností ASHRAE - American Society of Heating, Refrigeration and
Air-Conditioning Engineers (http://www.ashrae.org/), jehož zařízení a systémy mohou
vzájemně komunikovat a vyměňovat se informace. Obecný slovník a způsob
komunikace je uveden v normě ČSN EN ISO 16484-5.
Distribuovaný řídicí systém (DCS - Distributed Control System) je složen z
několika dílčích systémů, které jsou mezi sebou propojeny komunikační sběrnicí a
které se společně podílejí na řízení. Tento přístup se začal v automatizaci rychle
39
rozvíjet a nasazovat v době, kdy vznikly výkonné a spolehlivé komunikační sběrnice,
které bylo možné k tomuto účelu využít a rovněž kdy cena jednotlivých zařízení s
procesorem byla čím dál nižší (a nebyl tedy tak výrazný cenový rozdíl, pokud se v
řídicím systému použil jeden výkonný prvek nebo několik menších prvků).
Komunikace je tedy základním předpokladem pro možnost realizace distribuovaných
řídicích systémů.
Výhodou DCS jsou vyšší výkonnostní možnosti, výstavba složitých systémů, úspora
kabeláže pro přivedení technologických signálů, jednodušší odlaďování nové
aplikace (jelikož aplikace jako celek je rozdělena mezi několik PLC - Programmable
Logic Controller) a může být laděna po částech), postupné rozšiřování – řídicí
systém je možné postupně rozšiřovat přidáváním dalších zařízení na komunikační
sběrnici.
Nevýhodou DSC je nepříznivý vliv prostředí – řídicí prvky jsou umísťovány přímo
tam, kde je potřeba něco řídit a kde jsou potřebné signály, způsob komunikace mezi
zařízeními různých výrobců (vzájemná kompatibilita, slučitelnost), vzájemná
součinnost jednotlivých zařízení.
Obr. 3.6. Struktura distribuovaného řídicího systému
TP0 a TP1 - komunikační média, která umožňují přenos dat mezi jednotlivými
účastníky sběrnicového systému pomocí sběrnicového kabelu, který je realizován
kroucenou dvojlinkou.
PL110 a PL132 komunikační média, u kterých je umožněna komunikace mezi
účastníky systému přes silovou napájecí síť, např. 230VAC/50Hz.
RF je zkratka pro označení radio frekvenčního komunikačního média mezi
jednotlivými účastníky sběrnicového systému. Pro KNX systém se jedná o
vysokofrekvenční pásmo 868 MHz.
Otevřený komunikační systém
Struktura otevřeného komunikačního systému je popsána v normě ČSN EN 50090-1
2011. Tato norma se zaměřuje na řídicí aplikace pro otevřený komunikační systém
pro byty a budovy. Pokrývá jakoukoli kombinaci elektronických zařízení spojených
40
prostřednictvím digitální komunikační sítě. Jedná se o specializovanou formu
automatizovaného decentralizovaného a distribuovaného řízení procesu,
zaměřeného na potřeby ovládání provozně technických funkcí v bytech a v
budovách.
Specifikace otevřeného komunikačního systému HBES (HBES - Home and
building electronic systems - Elektronické systémy pro byty a budovy) obsahuje řadu
mechanismů pro uvedení sítě do provozu. Nechává však na realizátorovi možnost
volby nejvíce přizpůsobené konfigurace. Základními prvky otevřeného
komunikačního systému jsou:

modely vzájemné spolupráce a (distribuované) aplikace pro různé úlohy
automatizace bytů a budov (EN 50090-3-2, EN50090-3-3),

schémata konfigurace a managementu pro správné řízení všech
prostředků v síti pro možnost logického spojování nebo vazby na části
distribuované aplikace v dalších zařízeních (EN50090-7-1),

komunikační systém se souborem fyzických komunikačních médií,
protokolem zprávy a odpovídajícími modely pro komunikační zásobník v
každém uzlu, který podporuje všechny síťové komunikační požadavky
na konfiguraci a management instalace a rovněž poskytovat hostitelské
prostředí pro jeho distribuované aplikace (EN 50090-5, EN 50090-4),

konkrétní modely zařízení shrnuté v profilech pro efektivní realizaci a
kombinaci výše uvedených prvků při vývoji konkrétních výrobků nebo
zařízení, která budou montována a spojována při instalaci (EN 50090-91).
Obr. 3.7. Model otevřeného komunikačního systému HBES
41
Pro koncepci aplikace otevřeného komunikačního systému HBES je nejdůležitější
myšlenka datových bodů, které představují procesní a řídicí proměnné v systému
(EN50090-3). Těmito datovými body mohou být vstupy, výstupy, parametry,
diagnostická data atd. (skupinové objekty a vlastnosti objektů rozhraní). Komunikační
systém a protokol poskytnou omezený soubor instrukcí pro čtení a zápis hodnot
datových bodů. Otevřený datový protokol HBES je tedy především datově řízený.
Pro dosažení vzájemné spolupráce musí datové body implementovat normalizované
typy datových bodů, seskupené do funkčních bloků. Tyto funkční bloky a typy
datových bodů jsou vztaženy k aplikačním oblastem, ale některé z nich mají
všeobecné použití a pojmenované funkce společného zájmu (např. datum, doba).
Přístup k datovým bodům lze získat pomocí mechanismů individuálního nebo
skupinového vysílání.
Existují dvě úrovně, při nichž se musí instalace konfigurovat:

úroveň topologie sítě a jednotlivých uzlů a zařízení, provedení vazby s
nastavením parametrů, realizovaná před konfigurací distribuovaných
aplikací,

management sítě (EN 50090-4-1), který specifikuje soubor mechanismů
pro aktivní zjišťování, nastavování nebo opětné vyhledávání konfiguračních
dat prostřednictvím sítě. Navrhuje postupy (posloupnosti zpráv) pro přístup
k hodnotám různých prostředků sítě v zařízeních pro správnou vzájemnou
spolupráci všech síťových zařízení. Těmito prostředky mohou být adresy,
komunikační parametry, aplikační parametry, úplné soubory dat atd.
V případě, že v budově již existují skupiny zařízení, jako jsou například
zabezpečovací systém, řídicí a monitorovací systém vytápění a větrání, bude
existovat společná domovní komunikační brána a jediná informační linie, která
podporuje jakýkoliv již instalovaný komunikační a řídicí subsystém. Komunikace mezi
skupinami se vyskytuje řidčeji než komunikace zařízení ve skupině, nicméně pro tuto
komunikaci může být v případě různých komunikačních protokolů a komunikačních
architektur nutný překlad a přizpůsobení.
Jako sjednocovací komunikační páteř mohou být s výhodou použity:

internetová síť, která má dostatečnou komunikační kapacitu, jak z
hlediska rychlosti přenosu dat, tak i z hlediska objemu přenášených dat.
Slabé místo komunikačního systému s IT je bezpečnost dat zvláště, když k
ní mají přístup další instituce.

Ethernet (IEEE 802.2),

Bluetooth, Wifi Wireless LAN (IEEE 802.11),

Fire Wire (IEEE 1394).
42
Další možností použití sjednocovací komunikační páteře může být výchozí
sběrnicový systém. Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního
systému.
Obr. 3.8. Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního systému
U otevřených systémů je možno používat zařízení od různých výrobců, které nejsou
pouze pod jednou organizací. Je možné rovněž propojit mezi sebou odlišné
sběrnicové systémy, např. KNX/EIB, BaCnet, LonWorks, přes odpovídající převodník
(interface). Zjednodušeně řečeno, převodník (interface) převádí datový protokol
(telegram) jednoho sběrnicového systému na datový protokol (telegram) druhého
sběrnicového systému pro vzájemný přenos informací.

Technické požadavky na systémovou techniku budov
V osmdesátých letech minulého století se přední výrobci a dodavatelé
elektroinstalační techniky jako jsou Siemens, Gira, Jung, Becker, Insta a Merten
domluvili na založení společnosti Instabus – Gemenschaft. Jejich cílem bylo vyvinout
vhodný systém pro měření, řízení, regulaci a sledování provozních stavů v
budovách. Tato zařízení měla splňovat následující podmínky:

projektování a realizace elektroinstalace musí být jednoduché,

požadavky na dodatečné změny a rozšiřování v navržené elektroinstalaci
musí být jednoduše realizovatelné,

nestejné délky vedení a odchylky ve výstavbě systému nesmí vyvolat
provozní těžkosti,

nároky na odbornost při projektování, instalacích, změnách, servisních
pracích a opravách musí být úměrné znalostem běžného elektroinstalatéra,
43

musí se jednat o decentralizovaný systém, systém musí odpovídat platným
normám,

systém musí umožňovat pozdější přidání aplikací, které v začátcích nejsou
požadovány.
Technické požadavky na tyto systémy musely splňovat následující podmínky:

síťová struktura vedení musí být bez zakončovacího členu,

musí být zajištěno propojení až 126 větví,

na jednu větev může být připojeno maximálně 256 účastníků,

přenosová rychlost pro přenos informací a dat musí být 1200 až 9600 bit/s,

přenos dat musí být symetrický,

délka větve má být do 500m,

sběrnicové vedení má být provedeno ve formě twistované (kroucené)
dvojlinky,

přenos základního pásma informačního balíku musí být bez další
modulace,

přenos řeči po samostatném páru vodičů.
Hierarchické struktury automatizace budov a systémové techniky
budov

Hierarchická struktura automatizace budov (úrovňový model)
Při projektování a implementaci jednotlivých elektrických zařízení použitých pro
výkon monitorovacích a řídicích funkcí v budovách je nutné vycházet z hierarchické
struktury automatizace budov.
44
Obr. 3.9. Hierarchická struktura automatizace budov (úrovňový model)
Nejnižší úroveň - snímače a akční prvky
V bezprostřední blízkosti procesů jsou umístěny snímače, nutné pro zachycení
informací o systému. Na této nejnižší úrovni výše uvedené hierarchie se používají
snímače teploty, průtokoměry, snímače pro snímání stavu – např. hlídač námrazy.
Akční prvky umožňují vlastní řízení a ovládání technických zařízení. U
vzduchotechnických zařízení jsou to například ventily k regulaci průtokového
množství u oběhového vytápění nebo servopohon k nastavení klapky pro zvýšení
podílu venkovního vzduchu v budově.
45
Obr. 3.10. Snímače a akční členy v blízkosti provozně technických procesů
Interface provozně technických zařízení
Jako provozně technické interface jsou označovány svorkovnice pro připojení
rozvodů. Svorkovnice jsou umístěné v rozvaděči. Zde je zajištěno propojení mezi
snímači, akčními členy, ovladači s DDC moduly. DDC moduly jsou umístěny ve skříni
rozvaděče co nejblíže provozně technických zařízení pro snížení délky rozvodů a
kabelových vedení.
MaR
Realizace řídicích a regulačních funkcí je zajišťováno prostřednictvím jednotlivých
DDC modulů. Propojení s nadřazeným počítačem není nutné. Na této úrovni lze
využít u DDC modulů funkce, které zajišťují energeticky úsporný provoz. Příkladem
může být řízení přívodu vnějšího vzduchu nastavením klapek vzduchotechniky do
optimální polohy v závislosti na vnější teplotě a podle požadavku na větrání
místnosti. Pokud se pro nadřazené řízení a regulaci požadují dodatečné řídicí
funkce, převezme tyto nadřazené řídicí funkce jednoúčelově optimalizovaný DDC
modul.
46
Obr. 3.11. Svorkovnice a DDC moduly
Management budov
Alternativou výše uvedeného řešení je zpracování nadřazených řídicích a
regulačních funkcí řídicím počítačem, který patří do úrovně managementu. Informace
od všech připojených zařízení jsou připojeny do počítače. Počítač je tímto k dispozici
pro úroveň management budov. Na počítači jsou nainstalovány programy zajišťující
záznam všech událostí, alarmů, archivaci měřených hodnot a grafickou prezentaci –
vizualizaci stavu provozně technických funkcí v budově.
47
Obr. 3.12. Vizualizace řízení vzduchotechniky pomocí řídicího počítače
Na tomto principu je založen přenos informací k dalším výpočetním systémům. Lze
tak například přenášet hodnoty odečtené spotřeby energie z elektroměrů od
jednotlivých spotřebitelů do nadřazeného systému zúčtování.
1 1.4.2. Hierarchická struktura systémové techniky budov (úrovňový model)
U systémové techniky budov se hierarchická struktura liší od předchozí struktury v
redukci tří úrovní:

měření a regulace,

svorkovnice ve skříňovém rozvaděči,

snímače, akční členy a ovladače
do jedné úrovně, ve které jsou všechny ovládací prvky systémové techniky budov.
Příkladem redukce jednotlivých úrovní hierarchie do jedné úrovně je pětinásobný
senzor s tlačítkovým ovládáním a integrovaným termostatem (Busch-triton). Senzor
se nachází přímo v přístroji a naměřenou hodnotu teploty předává k bezprostřednímu
zpracování do procesoru, který je umístěný ve stejném zařízení.
48
Obr. 3.13. Hierarchická struktura systémové techniky budov
Dodatečně je možné požadovanou hodnotu teploty místnosti nastavit a upravit při
programování. Pětinásobným snímačem s tlačítkovým ovládáním lze vyslat řídicí
povely k akčním členům, ovládajícím lokální operace – osvětlení, stmívání, spuštění
žaluzií, větrání. Horní tři tlačítka lze použít k ovládání osvětlení a žaluzií. Spodní dvě
tlačítka mohou sloužit k řízení světelných scén. Na druhé úrovni je možno ovládat
vytápění a chlazení.
Na displeji jsou pak vidět následující informace:

aktuální teplota,

nastavená hodnota a

provozní režim.
Způsoby provedení elektroinstalací v budovách
V současné době se pro realizaci elektroinstalací v budovách a bytech používá
široký výběr přístrojů a zařízení. Podle použití těchto přístrojů a podle způsobu
provedení elektroinstalace v budovách lze rozdělit současné způsoby
elektroinstalace do dvou skupin:


klasická (konvenční) elektroinstalace,

systémová elektroinstalace.
Klasická (konvenční) elektroinstalace
49
Princip činnosti jednotlivých komponent u klasické elektroinstalace a u systémové
techniky budov (sběrnicové elektroinstalace) je poněkud odlišný. U klasického řešení
slouží k přenosu informace (zapnuto/vypnuto) silové vedení. Klasická
elektroinstalace se skládá z různých samostatných obvodů (např. obvod pro zapínání
osvětlení, obvod pro zapínání topení, obvod pro ovládání rolet a žaluzií atd.).
Zapojení je u klasické elektroinstalace pevné, neměnné (sekání drážek do zdi atd.).
Po zadání požadavků na projekt klasické elektroinstalace zákazníkem a po jeho
provedení už nelze provádět změny v projektu bez dodatečných nákladů.
Obr. 3.14. Blokové schéma propojení zařízení u klasické elektroinstalace
Druhy přístrojů, používaných pro klasickou elektroinstalaci:

ochranné přístroje - jističe, proudové chrániče, ochrany proti přepětí atd.,

silové zásuvky,

sdělovací technika,

kontaktní přístroje - relé, stykače atd.,

elektronické přístroje - spínače, stmívání světel, dálkové ovládání atd.,

měřicí přístroje - elektroměry, čidla atd.,

elektroinstalační materiál - propojovací vodiče, kabely, svorky, svorkovnice,
elektroinstalační krabice, rozvodnice.
Nevýhody klasické elektroinstalace v budovách:

změny v projektu znamenají pro zákazníka vysoké náklady (zpravidla jsou
spojeny se sekáním a vrtáním do zdí),
50


při velkém množství kabelů se stává situace často nepřehledná (zvláště při
elektroinstalaci u velkých budov),

požadavek na propojení různých funkčních okruhů mezi sebou, např.
zapnout světlo, když se spouští rolety, přináší dodatečné vyšší finanční
náklady, náročnou rekonstrukci elektroinstalace, větší počet vodičů a tím i
zvýšené nebezpečí požáru a stále komplikovanější vedení rozvodů.
Systémová elektroinstalace (Sběrnicové systémy)
Sběrnicová technika spojuje klasická silnoproudá zařízení s postupy a technologiemi
řídicích systémů a slaboproudých zařízení. Podle nabídky na trhu lze řídicí systémy
pro provedení moderní elektroinstalace v budovách rozdělit na:

centralizované systémy,

decentralizované systémy,

hybridní (částečně decentralizované) systémy.
Centralizovaný řídicí systém
U centralizovaného systému (ovládání elektrických spotřebičů) jsou vstupy (tlačítka,
snímače, senzory) a výstupy (ovládají provozně technické funkce) s centrálním
řízením.
Každý účastník (senzor, případně spotřebič) má vlastní spojení s centrálním řízením.
Účastníci mohou vzájemně komunikovat jen prostřednictvím této centrály. Toto
uspořádání je obvyklé například u programovatelných automatů PLC (PLC Programmable Logic Controller). Na trhu se objevují například PLC Alpha –
Mitsubischi, TSX Nano - Schneider Electric, Tecomat TC400 - Teco, EH-Micro Hitashi, Millenium I a II - Crouzet, Promos Logic - Elsaco, SAIA DDC-Compact PCS1
- SAIA--Burgess Controls a FEC20 - Festo-Beck, mikrosystémy od firmy Siemens
LOGO! a Simatic S7 - 200.
Výhodou centralizovaného řídicího systému je jeho účinnost, je vhodný, pokud není
složitý, jednodušší údržba, jednodušší návrh aplikačních programů.
Nevýhodou je omezená kapacita – řídicí jednotku lze rozšiřovat jen do maximálního
počtu modulů pro daný typ, je tedy většinou nutné, aby jednotka měla určitou rezervu
pro případné rozšíření systému, při poruše havaruje vše, rozsáhlá kabeláž pro
přivedení technologických signálů.
51
Obr. 3.15. Struktura centralizovaného řídicího systému
Obr. 3.16. Implementace centralizovaného řídicího mikrosystému LOGO! v budovách
Decentralizovaný řídicí systém
O řídicím systému decentralizovaném mluvíme tehdy, má-li každý účastník sběrnice
vlastní "inteligenci“ (mikroprocesor s pamětí). Termínem „účastník“ jsou zde míněny
52
senzory a aktory. Každý účastník je přímo připojen na sběrnicové vedení. Neexistuje
žádné centrální řízení. Tímto způsobem je zajištěna větší spolehlivost provozu.
Decentralizované systémy se používají u plošně i technologicky rozsáhlých systémů.
Hlavní výhodou je, že lze data z jednoho senzoru použít pro více aktorů, čímž
ušetříme u rozsáhlých technologií za instalační materiál a samotné senzory.
Příkladem použití jednoho senzoru pro více funkčních částí může být senzor otevření
okna. Senzor použijeme v bezpečnostním okruhu, v okruhu vytápění i pro chlazení
objektu.
Obr. 3.17. Princip zapojení decentralizovaného řídicího systému
Jako příklad decentralizovaného řídicího systému jsou uvedeny:

sběrnicový systém KNX/EIB (firmy Siemens, ABB, Schneider Electric).

LonWorks,

BaCnet.
U sběrnicových systémů je informační složka od silového napájení oddělena a je
přenášena po samostatném dvojvodičovém vedení (datové sběrnici) v podobě
určitého kódu, datového protokolu. „Datový protokol“ je soustavou definovaných
pravidel, podle nichž se musí uskutečňovat a probíhat komunikace mezi účastníky
sběrnicového systému (senzory, aktory).
Termínem „datová sběrnice“ se v této oblasti rozumí přenosové médium, ke
kterému jsou připojeni účastníci sběrnice. Instalační sběrnici tvoří dva vodiče vedení.
Instalační sběrnice se používá pro:

přenos informací,

napájení připojených senzorů.
Celkový provoz instalační sběrnice je zajišťován pomocí systémových přístrojů a
příslušenství (jako jsou napájecí zdroje, liniové spojky, tlumivky).
53
Zadávání informací do sběrnicového systému zprostředkovávají tlačítka nebo
snímače fyzikálních veličin, označované jako senzory. Požadované napájecí napětí
pro senzory je zajištěno ze sběrnice. Senzory mohou být například snímače teploty,
snímače tlaku, snímače větru, vypínače, různé převodníky.
Spínání nebo spojitou regulaci pro ovládání provozně technických funkcí zajišťují
aktory. Akční členy nebo aktory jsou nejčastěji používány pro ovládání provozně
technických funkcí v budovách v provedení jako:

spínací aktory, jenž spínají elektrické spotřebiče zapojené v zásuvkách
(rychlovarná konvice, žehlička, televize), motory (čerpadla, ventilátory),
chladící jednotky, topení,

stmívací aktory pro plynulou regulaci stmívání osvětlení,

roletové aktory pro ovládání rolet, garážových vrat, žaluzií, markýz,
vstupních bran.
Akční členy jsou součástí silových rozvodů. Při jejich zapojování do jednotlivých
jištěných okruhů je nutné dodržet základní pravidla, předpisy a normy o jištění a
dimenzování vodičů v elektrických instalacích. Aktory vykonají požadovaný úkon na
základě přijaté informace od ostatních účastníků sběrnice.
Aktory a senzory si po sběrnici vyměňují informace (data) a jsou označováni jako
účastníci sběrnice.
Základní popis sběrnicového systému:

sběrnice je napájena bezpečným malým napětím (SELV),

paralelní připojení účastníků sběrnice umožňuje dodatečné a jednoduché
rozšíření systému o další prvky.
Důvody pro zavádění sběrnicové instalace:

vyšší komfort ovládání přístrojů a zařízení v budovách a v domácnostech,

zavedení bezpečnostních provozně technických funkcí, jako např. rozbití
oken, hlídání bytu v době nepřítomnosti atd.,

možné úspory energie,

možnost signalizace poplachu,

možnost centrálního ovládání všech provozně technických funkcí v dané
budově.
Hybridní (částečně decentralizovaný řídicí systém)
V hybridním systému jsou vstupy (senzory, sběrnicová tlačítka) zapojena na sběrnici,
zatímco ovládané provozně technické funkce jsou připojeny na řídicí jednotku (aktor).
Hybridní systémy se používají u funkčně rozsáhlejších aplikací, které jsou
soustředěny na menší ploše. U těchto systémů je kladen větší důraz na celkovou
54
cenu instalace než na pozdější variabilitu. Cena klesá především tím, že soustředíme
více stejných funkcí do jednoho vícenásobného modulu (do jednoho akčního členu,
aktoru). Příkladem řídicího systému je sběrnicový systém Nikobus firmy Eaton.
Obr. 3.18. Blokové schéma částečně decentralizovaného řídicího systému
3.4. Sběrnicový systém KNX
Všeobecný popis sběrnicového systému KNX
KNX je celosvětový standard pro řízení provozně technických funkcí v budovách.
Tvůrcem a vlastníkem této technologie je asociace KNX. Díky certifikaci produktů na
základě standardu KNX je zaručena vzájemná kompatibilita výrobků různých firem,
což představuje vysokou úroveň flexibility. Tato certifikace je prováděna v
nezávislých laboratořích.
Obr. 3.19. 1 Postup procesu certifikace produktů KNX
V České republice jsou v současnosti dvě střediska, která tuto licenci mohou
udělovat na základě úspěšně absolvované zkoušky. Od roku 2006 školicí centrum
ABB Elektro-Praga v Jablonci nad Nisou, které také od roku 2009 patří mezi 15
55
prestižních školících center certifikovaných pro pořádání nadstavbových kurzů
„ADVANCE“. Další školicí centrum otevřela Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně ve
spolupráci s firmou Schneider Electric v lednu 2012.
Technologie KNX je označována jako decentralizovaný sběrnicový systém, který
nepotřebuje ke svému provozu PC ani žádnou centrální řídicí jednotku. Veškeré
informace – data jsou uložena v mikroprocesorech jednotlivých prvků, neboli
účastnících sběrnice (US), kteří spolu komunikují na základě skupinových adres
formou telegramů. Všichni účastníci sběrnice jsou na stejné úrovni (multi – master
komunikace). Uvedení do provozu se provádí pomocí softwaru ETS (Engineering
Tool Software). Systém KNX poskytuje rozmanité aplikační možnosti integrace
různých technologií.
Obr. 3.20. Aplikační možnosti systému KNX
Obr. 3.21. Příklad topologie sběrnicového systému moderní elektroinstalace
Legenda k obrázku:
56
•
1, 2, 3, 4 - senzory, které jsou připojeny na sběrnici 24 V DC (SELV),
•
5, 6, 7, 8 – spotřebiče jsou připojovány k rozvodné síti 230VAC/50Hz pomocí
akčních členů s označením 9.
spínacích
Využití nachází systém KNX při řízení provozně technických funkcí administrativních
budov, obchodních center, zdravotnických zařízení a ústavů, bank, architektonických
objektů, ale i v průmyslu. Tento systém řízení tedy přináší nejen komfort ovládání,
ale především účinný nástroj pro efektivní řízení provozně technických funkcí.
Samostatnou kapitolou je jeho implementace v rodinných domech, zde již nejsou
úspory prioritním důvodem nasazení daného systému, ale hlavní důvod tu
představuje komfort a prestiž, který instalace systému KNX přináší. Dovoluje také
takřka neomezené možnosti při výběru ovladačů, které uspokojí každého více, či
méně náročného zákazníka, a stejně tak i otevírá možnosti architektům dotvořit
interiér do posledního detailu.

Historie a vznik KNX
Vznik sběrnicového systému KNX začíná v roce 1986, kdy firma Siemens započala s
vývojem sběrnice Instabus. Vývojoví pracovníci společnosti Siemens už od počátku
uvažovali o nutnosti rozšíření systému na široké spektrum produktů.
Následně v roce 1987 Německé firmy Siemens, Berker, Gira, Jung, Insta a Merten
založily společnost Instabus Gemeinschaft.
Hlavním cílem této společnosti bylo vyvinout systém pro měření, řízení, regulaci a
monitorování provozních stavů v budovách. Tento záměr se shledal s nečekaným
zájmem předních evropských výrobců elektrotechniky a společnost Instabus
Gemeinschaft se přeměnila na nadnárodní nezávislou organizaci, z níž v květnu roku
1990 vznikla asociace EIBA (European Installation Bus Assotiation ) se sídlem v
Bruselu. Hlavním cílem této asociace bylo zavedení standardu EIB jako ukazatele
kvality, kompatibility a přizpůsobit se technologii systémové techniky budov.
Výhodou této standardizace byla garantovaná nezávislost na konkrétních výrobcích
při spolupráci zařízení různých výrobců v jednom systému. Toto se již od počátku
ukázalo jako krok správným směrem, což oceňovali hlavně investoři pro obrovskou
variabilitu systému, možnost dalšího rozšiřování a nezávislost na konkrétním výrobci.
Decentralizací bylo také dosaženo maximální spolehlivosti, protože při poruše
jednoho prvku došlo k ovlivnění pouze funkcí tímto prvkem ovládaných, případně
vykonávaných, ostatní účastníci zůstávali funkční i nadále, což tento systém
posunulo daleko před systémy s centrální řídicí jednotkou, kde při jejím selhání došlo
k celkovému kolapsu systému.
Současně se vznikem systému EIB vzniká ve Francii systém BCI (BatiBUS Club
International), hlavním iniciátorem je zde firma Merlin-Gerin.
57
Za zmínku dále stojí organizace EHSA (European Home System Association), která
přichází na trh se systémem komunikujícím přímo po silových vodičích, což
upřednostňovali zejména výrobci spotřebičů a zábavní elektroniky.
Od roku 1996 z obavy před příchodem amerického systému LON dochází k jednání
o sjednocení těchto tří předních evropských standardů a v roce 1999 vzniká právě
sjednocením EIB, EHS a BCI asociace Konnex – KNX Association. V roce 2002 tak
vzniká standard KNX, který je založen na platformě EIB.
V prosinci roku 2003 je protokol KNX s přenosovými médii TP (Twisted Pair –
kroucený pár) a PL (Powerline – silové vedení) uznán národními evropskými
komisemi a ratifikován v CENELEC – Technickým výborem jako evropská norma EN
50090.
V roce 2005 je standard KNX schválen americkou normou (ANSI / ASHRAE 135).
O něco později, v polovině roku 2006, je uznán i přenos RF (Radio Frequency –
radiový přenos) a v listopadu roku 2006 je protokol KNX včetně všech přenosových
médií (TP, PL, RF a IP) schválen jako mezinárodní norma ISO/IEC 14543-3-x.
Následně v roce 2007 je standard KNX schválen také v Číně (GB/Z 20965). Tím se
KNX stává jediným celosvětově otevřeným standardem pro systémovou techniku
budov.

Systémová specifikace – přenosová média
Pro přenos dat mezi účastnickými stanicemi mohou být využita různá média:

Twisted Pair – kroucený pár – KNX.TP,

Power Line – silové vedení KNX.PL,

Radiový přenos KNX/RF,

Ethernet KNXnet/IP,

Optická vlákna.
Systém KNX nabízí v tomto směru naprostou flexibilitu. Při instalaci je možné volit ze
všech pěti dostupných přenosových médií, případně je lze vzájemně kombinovat.
Nicméně nejpoužívanější a také nejrozšířenější, co se týká rozmanitosti prvků, je
systém KNX TP (Twisted pair) vycházející z původního standardu EIB.

KNX.TP - Twisted pair (TP), (kroucený pár)
Jako komunikační medium (sběrnicové vedení) pro přenos dat se využívá
samostatného kabelu s dvěma kroucenými páry vodičů s průměry měděných jader
0,8 mm (např. JYSTY 2x2x0,8; YCYM 2x2x0,8:

barva vodičů červená – černá (pracovní pár), se používá pro přenos dat a
pro napájení účastníka elektrickou energií,

barva vodičů bílá – žlutá (rezervní pár), pro přídavné napájení účastníka.
58
Obr. 3.22. Popis sběrnicového kabelu YCYM 2x2x0,8
Tímto kabelem se propojují všechny KNX sběrnicové přístroje – účastníci sběrnice
(snímače, akční členy a kontroléry) a také veškeré pomocné přístroje (komunikační
rozhraní, napájecí zdroje).
Použitý kabel musí být stíněný z důvodu možného rušení vlivem naindukovaných
rušivých signálů. Rychlost přenosu informací na této datové sběrnici je 9600 bit.s -1,
což bylo převzato ze standardu EIB a zaručuje tak naprostou kompatibilitu se
stávajícími instalacemi.
Kabel je vybaven izolačním pláštěm zelené barvy v souladu s požadavky ČSN EN
50090-2-2 pro sběrnice v KNX instalacích. Ve vzdálenostech po 1 m je označen jako
sběrnicový kabel pro KNX instalace. Izolační plášť kabelu je ověřen zkušebním
napětím 4 kV – vyhovuje pro soustavy bezpečného malého napětí SELV. To
dovoluje klást sběrnicový kabel vedle silových vedení nízkého napětí. Tento typ
přenosového média se používá nejčastěji u novostaveb. Vedení (TP) se může
pokládat pod omítkou v suchém, vlhkém i mokrém prostředí.

KNX.PL - Power-line (PL), (silové vedení)
V některých případech (např. při rekonstrukci především historických objektů, při
dodatečném zvyšování komfortu a úspor energií v bytové sféře) se pro komunikaci
využívají přímo silové vodiče sítě nízkého napětí 230/400 V AC Výhoda KNX.PL se
projevuje zejména tehdy, když se stávající rozvodná silová síť musí využít pro přenos
dat, kde se žádné samostatně oddělené vedení sběrnice nemůže položit. Datové
signály se takto překrývají (superponují) sinusovým napětím napájecí sítě.
Typickými aplikacemi pro tento systém přenosu jsou:

spínání a stmívání osvětlení,

ovládání pohonů a žaluzií,

přenos analogových hodnot,

časové a centrální funkce,

simulace přítomnosti,

řízení vytápění,

spolupráce se zabezpečením objektu

vizualizace dotykovými displeji.
Celý systém Power - line je tvořen řadou přístrojů, které lze rozdělit do tří skupin:
59

snímače a spínací přístroje,

akční členy,

systémové přístroje a příslušenství.
Power-line pro KNX existuje stejně jako KNX.TP ve dvou variantách, které nesou
označení KNX PL 110 a KNX PL 132. Číselná hodnota je vždy odvozena ze střední
frekvence, která je vypočítána z rozsahu frekvencí pro log. 0 a log. 1. Vztáhneme-li
tuto myšlenku na verzi KNX PL 110 je patrné, že střední frekvence je tedy f = 110
kHz a pro přenos log. 0 se využívá kmitočet o hodnotě f0=105,6 kHz a pro log. 1
kmitočet f1 = 115,2 kHz při použitém klíčování frekvence v metodě rozložení pásma,
tzv. SFSK (Spread Frequency Shift Keying). Přenosová rychlost u této varianty je
nastavená na 1200 bit/s, kdežto u varianty KNX PL 132 převzaté ze systému EHS je
2400 bit/s.
Přenosová rychlost u verze PL 110 je dostatečná a pro přenos 1 bitu je zapotřebí
časového intervalu o velikosti 833 μs, což postačuje na přenos 6 telegramů za
sekundu. Při přenosu informací je vždy patřičný kmitočet pro logickou hodnotu
superponován na síťové napětí elektrického vedení a signály jsou poté přijaty trvale
připojenými síťovými spojkami, v nichž se průběžně převádí na digitální hodnoty
porovnávané v korelátorech (komparátor pravděpodobnosti) s uloženými
digitalizovanými referenčními frekvenčními vzorky. Síťová spojka obsahuje vždy pár
korelátorů pro oba možné stavy bitu, logicky pro 0 a 1. Korelátory poté dle
vypočítané pravděpodobnosti odvodí logickou hodnotu a rozhodnou, zda bude
například akce provedena, či nikoliv. Ovšem díky nedefinovaným síťovým poměrům
(šum) může nastat situace, kdy odvozená hodnota nebude spadat ani do jedné z
úrovní a proto bude tento případ odmítnut.
60
Obr. 3.23. Schéma zapojení systémové instalace – Powernet® KNX/EIB
Systém vytvořený použitím KNX PL 110 nabízí logické adresování kompatibilní s
KNX TP1. Maximálně může být nasazeno 8 oblastí (15 oblastí u KNX TP 1) se 16
liniemi po 256 účastnících s přístupem na sběrnici CSMA. U menších projektů,
kterým postačí rozsah jedné linie a odpadá tak rozdělení do více linií, či do oblastí,
jsou všechna zařízení datově spojena ve všech 3 fázích rozvodnou silovou instalací
230/400 V AC. Oblast signálu instalace KNX PL 110 se však technicky odděluje
pásmovými zádržemi (PZ) od distribuční sítě. Zádrž slouží zejména k odfiltrování
rušivých signálů a oddělení více zařízení v jedné budově – fyzické oddělení.
U rozsáhlých instalací se sběrnicová zátěž redukuje již zmíněným logickým a
fyzikálním rozdělením do oblastí. Oblastní spojky pak zajistí selektivní přenos
telegramů v rámci sousedních oblastí (sdružování oblastí), přičemž propojení mezi
jednotlivými oblastními spojkami je vytvořeno samostatným datovým vedením.
Napájení datového vedení oblastních spojek je technicky řešeno zdrojem napětí o
velikosti 24 V DC. Příklad instalace KNX PL 110 je uveden níže. Alternativně se
může instalace rozšířit ještě o další systémové přístroje, síťové spojky, mezifázové
spojky, opakovač a přenosové rozhraní tzv. mediální spojky umožňující propojení
zařízení KNX TP1 se zařízeními KNX PL 110.
61
Obr. 3.24. Princip techniky přenosu dat KNX.PL po síťovém vedení

Telegram přenosu PL
Skladba telegramů pro přenos v KNX/EIB Powernet je následující:

Tréninková sekvence umožňuje automatické nastavení citlivosti přijímačů,
které nastaví svůj příjem podle okamžitých podmínek v síti.

Úvodní pole má dvě funkce. Označuje začátek přenosu a řídí přístup na
sběrnici.

Telegram následuje po úvodním poli. Každému přenášenému bytu se
připojí navíc 4 bity zkušebních informací, jimiž lze korigovat jednobitovou
chybu a rozpoznat chybu víceúčelovou.

Systémové ID je pole, kterým je zakončen každý telegram. Obsahuje 8 bitů
(+4 bity pro zkušební informace) a může být projektantem instalace
nastaven v rozmezí hodnot 1 až 254. ID0 je rezervován pro předání
informace všem účastníkům sítě. Cílem systému ID v KNX/EIB Powerline
instalacích umístěných blízko sebe je předejít vzájemnému ovlivňování.
Proto každé KNX/EIB Powerline instalaci musí být přiřazeno jednoznačné
ID.
62
Obr. 3.25. Telegram přenosu

Telegram PL s odpovědí
Telegram s odpovědí je výsledkem přijatého telegramu. Musí být přijat vysílačem po
určité době. V porovnání s KNX TP1 existují pouze dva odpovědní telegramy:

ACK: přenos byl úspěšný,

NACK: přenos byl neúspěšný. Tento odpovědní telegram bude použit
pouze
systémovou spojkou.
Telegram s odpovědí obsahuje rovněž tréninkové sekvence a úvodní pole. Potom
následuje telegram s odpovědí (8 bitů a 4 přídavné zkušební bity). Dojde-li k výpadku
telegramu s odpovědí, bude telegram zopakován.
Obr. 3.26. Telegram s odpovědí
Telegram s odpovědí nesmí být vyslán všemi adresovanými účastníky, nýbrž pouze
jedním akčním členem na jednu skupinovou adresu.
Pro zabezpečení systémové instalace KNX/EIB Power-line proti příchozím poruchám
přicházejícím po vedení ze sítě a současně i pro zabránění útlumu přenášených
signálů venkovním vedením se na vstupu každé instalace používají selektivní filtry.
Tyto filtry jsou jednopólové a zapojují se do přívodu v sérii s hlavním jističem.
V jedné instalaci KNX/EIB Power-line lze vytvořit nejvýše 8 oblastí, v každé z nich
může být až 16 linií. Jedna linie může obsahovat až 256 přístrojů. Jedna instalace
tedy může obsahovat až 32768 účastnických přístrojů. Vzájemná komunikace mezi
jednotlivými liniemi a oblastmi je zabezpečována tzv. opakovači (obdoba liniových
spojek pro komunikaci po sběrnici).

KNX RF - Radio frequency
63
Při rekonstrukci elektrických instalací, ale někdy i v nových objektech nastávají určité
situace, kdy na místo určené pro umístění přístroje KNX/EIB nelze skrytě přivést
vedení sběrnice (nejčastěji se to týká tlačítkových snímačů). Přitom podstatnou část
systémové instalace lze uskutečnit přenosem po sběrnici. V takových případech
může být výhodným k obousměrné komunikaci použít vysokofrekvenčního přenosu
KNX RF.
Jedná se o radiový – bezdrátový přenos, který je přenášen na frekvenci 868 MHz,
vysílací výkon je běžně 10 mW, maximálně 25 mW, a přenosová rychlost 16,4 kbit.s1. Vysílací dosah je cca 30 m uvnitř budov, ve volném prostoru až 300 m.

KNX IP - IP/Ethernet
Nejmladší technologií je přenos prostřednictvím IP telegramů, z čehož vyplývá, že k
přenosu se využívají běžné ethernetové sítě. Nejčastěji se používá pro monitorování,
vizualizace a vzdálenou správu, nebo také je možné nahradit páteřní linii systému
KNX.TP ethernetovou linkou, která je mnohem rychlejší.

Optická vlákna LWL - Lichtwellenleiter
Kabelů s optickými vlákny se využívá tam, kde je nutné překonat větší vzdálenosti,
především když je potřeba vyhnout se instalaci přístroje pro ochranu před výboji a
přepětím tam, kde pokládané vedení zasahuje za hranice pláště budovy nebo jejího
pozemku.

Topologie systému KNX/EIB
Systém KNX/EIB byl vytvořen tak, aby snadno řídil provoz všech provozně
technických funkcí jak v malých budovách, tak i v těch nejrozsáhlejších objektech.
Proto byla navržena struktura jednotlivých částí systémové instalace umožňující
bezproblémovou komunikaci v budově libovolné velikosti.
Silová síť - napájení
Jako u klasické elektroinstalace, tak i u instalace KNX/EIB musí být připojeny
jednotlivé spotřebiče, ovládající provozně technické funkce, na silovou napájecí
soustavu 230/400 V (např. motory, servopohony, svítidla atd.) s dodržením všech
zásad pro správné dimenzování a jištění vedení a spotřebičů pro připojení na nízké
napětí.
Komunikační síť – sběrnice KNX
Pro instalaci KNX/EIB musí být kromě napájecí silové sítě vyprojektována a zřízena
komunikační síť. Aby instalace KNX/EIB fungovala bez poruch, musí projektant
správně vyspecifikovat systémová zařízení, akční členy a snímače, které se v
odborné literatuře označují jako účastníci sběrnice (US = sběrnicový přístroj). US
jsou připojeni na sběrnicovou síť, po které je zajištěna výměna informací mezi
jednotlivými účastníky sběrnice.
64
Silová a komunikační síť jsou od sebe galvanicky oddělené, což vyžaduje i použití
různých typů vedení.
Potom projektant určí, kam budou jednotlivé přístroje KNX/EIB (US) v budově
umístěny a jakým způsobem budou US propojeni pomocí komunikační sběrnice.
Tento způsob strukturalizace celého sběrnicového systému se označuje jako jeho
topologie.
Topologie popisuje strukturu systému s ohledem na komunikačně – technické vazby
jednotlivých komponent (účastníků), které ji vytvářejí. Popisuje se pomocí síťových
grafů.
Obr. 3.27. Příklad topologie – síťová konfigurace KNX/EIB
Síťový graf je sestaven z uzlů a větví (nebo z hran). Uzly komunikační sítě jsou
jednotlivé přístroje KNX/EIB, které jsou spojeny minimálně s jedním dalším
přístrojem. Spojení dvou uzlů v jedné linii se realizuje pomocí dvoužilového vedení
sběrnice KNX.TP. Spojení je možné uskutečnit rovněž rádiovým přenosem KNX.RF.
Obr. 3.28. Příklad topologie – síťový graf KNX/EIB
65
Topologie KNX TP se skládá ze čtyř úrovní a může obsahovat maximálně 65 536
zařízení.

Základní topologické prvky - účastníci sběrnice KNX/EIB
Základním topologickým prvkem systémové instalace KNX/EIB je účastník sběrnice,
přístroj připojený ke sběrnici (snímač, aktor (akční člen), logický prvek, vizualizační
přístroj atd.). Každému z těchto prvků náleží grafický symbol, který se používá v
projekčním software (ElCad, AutoCad, WsCad) pro tvorbu projektů. Písmeno n ve
značce na obrázcích se nahrazuje číslovkou, vyznačující násobnost daného přístroje
(např. n=5 pro pětinásobný tlačítkový snímač). Nejčastěji používanými grafickými
prvky jsou tlačítkové snímače.
a)
b)
c)
d)
e)
Obr. 3.29. Grafické značky některých snímačů KNX/EIB: a) tlačítkový snímač, b)
snímač osvětlení, c) snímač pohybu, d) snímač teploty, e) snímač infračerveného
záření
Podobně je to u aktorů, kde např. n=12 znamená, že se jedná o dvanáctinásobný
spínací akční člen.
a)
b)
c)
d)
e)
Obr. 3.30. Grafické značky některých akčních členů KNX/EIB: a) spínací aktor, b)
žaluziový aktor, c) spínací a stmívací aktor, d) analogový aktor, e) spínací aktor,
kombinovaný se snímači

Linie KNX/EIB
Dalším topologickým prvkem systémové KNX/EIB instalace je linie, která může
obsahovat nejvýše 256 základní topologických prvků, účastníků sběrnice jako jsou
snímače, akční členy, logické prvky, komunikační rozhraní atd. Každá linie musí být
vybavena vlastním zdrojem napájení, který je vybaven tlumivkou.
66
Obr. 3.31. Linie KNX/EIB s přístroji
Každému přístroji na sběrnici KNX/EIB přiřazuje projektant postupně pořadová čísla
od 0 do 255. Číslice 0 je vyhrazena pouze pro liniovou spojku (LS). Příkladem může
být označení individuální adresy O. L. 0 pro liniovou spojku – 1.12.0 je liniová spojka,
která je připojena ve 12. linii, 1. oblasti na hlavní linii 1. oblasti. Žádné z použitých
čísel na linii se nesmí opakovat.
Oblasti KNX/EIB
Pro větší budovy, kde je větší počet účastníků sběrnice, nestačí obsazení přístroji v
jedné linii. Jednotlivé linie (nejvýše 15) se připojují na hlavní linii do společných
oblastí. Pod pojmem oblasti si lze představit např. jedno podlaží v domě. Na chodbě
každého podlaží jsou vodiče, na které jsou ve stanovených místech připojeny
přístroje na sběrnici. Každá linie je připojena k hlavní linii pomocí liniové spojky (LS).
Díky tomuto připojení lze mezi sebou propojit 15x256=3840 přístrojů.
Obr. 3.32. Uspořádání linií do oblastí KNX/EIB
67

Páteřní linie KNX/EIB
Ve velmi rozsáhlých instalacích nestačí ani 15 plně obsazených linií. Potom je
potřeba další linie uspořádat do dalších nebo i do několika oblastí, které se vzájemně
propojují oblastními spojkami (OS). První (nejvyšší) úroveň tvoří páteřní linie (PL),
(backbone line), na které může být až 15 oblastí – hlavních linií (HL), (main line),
které se k páteřní linii připojují pomocí oblastních spojek (OS), (area coupler).
Na každé hlavní linii může být napojeno dalších 15 linií (line), které se připojují přes
liniové spojky (LS), (line coupler) a mohou obsahovat až 256 účastníků rozdělených
do čtyř větví, kde každá větev může mít maximálně 64 účastníků, z toho první větev
se připojuje přímo k liniové spojce, další tři větve se připojují pomocí liniových
zesilovačů. K identifikaci jednotlivých účastníků slouží individuální, neboli fyzická
adresa, na jejímž základě lze jednoznačně rozpoznat, které linii, případně oblasti
prvek náleží. Tato fyzická adresace je 16 - ti bitová a je má následující formát:
x . y . z, kde:
x (4 bity)
udává adresu oblasti (hlavní linie) v rozsahu 1 ÷ 15, adresa 0 odkazuje
na účastníka na páteřní linii,
y (4 bity)
udává adresu na linii v rozsahu 1 ÷ 15, adresa 0 odkazuje na účastníka
na hlavní linii,
z (16 bitů) odkazuje přímo na účastníka v linii v rozsahu 1 ÷ 255, adresa 0 může
být použita pouze u liniové spojky.
Obr. 3.33. Topologie systému KNX
68
Pro kabelový rozvod sběrnicového vedení KNX v rámci jedné linie platí jistá pravidla.
Je dovolen rozvod sběrnice:

lineární,

do hvězdy,

paprskově.
Jediné, co není dovoleno, je kruhová struktura – uzavření smyčky. Skutečné
uspořádání sběrnicového systému v praxi používá libovolné kombinace výše
uvedených struktur. Toto skutečné uspořádání se řídí aktuálním rozmístěním
přístrojů.
Obr. 3.34. Lineární topologie sběrnicového systému KNX
Obr. 3.35. Stromová topologie sběrnicového systému KNX.(U – účastník, L – linie,
HL – hlavní linie, O – oblast, PL – páteřní linie)
69
Obr. 3.36. Paprsková topologie sběrnicového systému KNX
Jistá pravidla jsou i pro délky vedení. Zde platí, že maximální délka vedení v rozsahu
jedné linie může být maximálně 1000 m, vzdálenost nejvzdálenějšího účastníka
sběrnice od zdroje je 350 m, což je dáno úbytkem napětí cca 3 V a podmínkou, že
minimální hodnota napětí musí být 21 V.
Další omezení stanovuje přenosová rychlost a podmínka, že doba přenosu jednoho
bitu nesmí být delší, než 100 μs, což omezuje maximální vzdálenost mezi dvěma
účastníky linie na 700 m, a poslední omezení je v případě, že v jedné linii jsou dva,
nebo více zdrojů. Zde musíme zabezpečit, že vzdálenost mezi těmito zdroji bude
minimálně 200 m, což je dáno omezením indukčního napětí tlumivek napájecích
zdrojů.

Liniová spojka KNX/EIB
Liniová spojka je zhotovena jako řadový systémový přístroj pro montáž na nosnou
lištu. Liniová spojka může sloužit jako:

liniový opakovač (LO) slouží pro rozšíření linie o další liniový segment s až
64 dalšími účastnickými stanicemi a také s dalším úsekem sběrnicového
kabelu o celkové délce do 1000 m,

liniová spojka (LS) propojuje hlavní linii se sekundární linií,

oblastní spojka (OS) propojuje páteřní linii s hlavní linií.
Oblastní, liniová spojka a liniový opakovač jsou identické přístroje. Úkoly, které má
přístroj plnit, závisí na jeho umístění v topologickém uspořádání a odpovídají
přiřazené individuální adrese. Například adresa 1.1.0 určuje, že spojka má funkci
liniové spojky pro propojení linie 1 na hlavní linii oblasti 1. Obsahuje - li instalace více
linií, každá z těchto linií musí být vybavena svým napájecím zdrojem a tlumivkou.
Liniový opakovač propouští všechny telegramy oběma směry. Liniové spojky (LS) a
oblastní spojky (OS) mohou zajišťovat funkci filtrace. To znamená, že telegramy,
70
které odesílá vysílač po linii, mohou být dále přesměrovány, jestliže se přijímač
nachází vně linie, na které je připojen vysílač.
Liniová spojka má za tímto účelem k dispozici filtrační tabulku skupinových adres,
které se do její paměti uloží programem ETS při uvedení do provozu. Tyto tabulky se
nacházejí trvale v EEPROM. V průběhu filtrování, které zabírá čas asi 20ms se
přesměrují telegramy jen tam, kde jsou vyžadovány. Vysílání telegramů v celé
konfiguraci se redukuje a přenos dat v rámci linie se odlehčí na úkor jiné linie. Tak
může probíhat přenos dat v několika liniích současně.
Liniový opakovač (LO) nevykonává žádnou filtrační funkci. Rekonstruuje přijaté
signály a přesměruje je na nadřazený nebo podřízený segment.
Telegramy používané v normálním provozu mohou být přeneseny až přes šest LO,
LS a OS. Ke kontrole počtu přenosů je v telegramu tzv. přepravní pole – ratingové
číslo. Vysílač má k dispozici přepravní pole, což je čítač s počtem přenosů n=6,
Jestliže některá spojka LO, LS nebo OS přenese datový telegram, hodnota čítače se
sníží o 1. Při poklesu na nulu se již další přenos neuskuteční.
Obr. 3.37. Linie se třemi liniovými opakovači (LO), čtyřmi liniovými segmenty a
odpovídajícím počtem zdrojů napětí (NZ)

Napájecí zdroj KNX/EIB
Prostřednictvím instalační sběrnice jsou napájeny sběrnicové spojky všech snímačů,
akčních členů a liniových spojek umístěných obvykle v jedné linii. Všechny
sběrnicové spojky musí spolehlivě pracovat při jmenovitém napětí 24 V DC. S
ohledem na přípustné délky a na možné úbytky napětí na vedení sběrnice, musí být
zajištěna správná funkce mikroelektronických obvodů při napájecím napětí od 15 V
do cca 30 V. Pro splnění všech požadovaných podmínek je potom zapotřebí, aby
například napěťový zdroj 24 V DC, 640 mA, měl výstupní napětí naprázdno 29 V DC.
Napájecí zdroj je vybaven filtrační tlumivkou, což umožňuje komunikaci v linii mezi
jednotlivými účastníky. Dále je napěťový zdroj vybaven napěťovými a proudovými
řídicími obvody, které zajišťují ochranu proti zkratu popřípadě proti přetížení.
71
Obr. 3.38. Napájecí zdroj 320 mA a 640 mA pro napájení sběrnice KNX/EIB
Sběrnicové přístroje vyžadují napájecí napětí minimálně 21 V a mají odběr ze
sběrnice až 200 mW. Z toho důvodu je nutné dimenzovat vhodný typ zdroje napětí
pro určitý počet účastníků sběrnice:

napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 640 mA zajišťuje
napájení maximálně 64 účastníků,

napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 320 mA zajišťuje
napájení maximálně 32 účastníků,

napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 160 mA zajišťuje
napájení maximálně 16 účastníků.
Koncepce vlastního zdroje v každé linii má tu výhodu, že v případě výpadku
některého ze zdrojů vypadnou z komunikace jen účastníci, kteří jsou v příslušné linii
zařazeni. Ostatní účastníci pokračují dále v činnosti.
Propojovací jednotky jako liniová spojka (LS) a oblastní spojka (OS) jsou vždy
napájeny z nadřízené linie:

liniové spojky (LS) jsou vždy napájeny ze zdroje z nadřazené linie,

oblastní spojka (OS) je vždy napájena ze zdroje z páteřní linie,

liniový zesilovač, opakovač (LO) je napájen ze zdroje z nadřízeného
segmentu.
Při projektování konfigurace sítě je vhodné vytvořit asi 20% rezervu na rozšíření
každé linie, aby se později, při dalším rozšiřování nemusely přidávat další linie. Pro
jednu linii by se mělo počítat s kapacitou nejvýše 50 účastníků.
3.5. Hardware KNX/EIB
V systémové instalaci KNX rozlišujeme čtyři typy přístrojů:

systémové přístroje KNX- napájecí zdroje, komunikační rozhraní (IP,
USB, RS232), liniové a oblastní spojky, tlumivky, …atd.,
72

senzory KNX (snímače) - tlačítkové snímače, IR snímače, termostaty,
analogové a digitální vstupní jednotky, snímače povětrnostních vlivů, …
atd.,

aktory KNX (akční členy) - spínací jednotky, žaluziové jednotky, stmívače,
HVAC přístroje pro ovládání topení, chlazení a klimatizaci, … atd.,

kontroléry KNX (řídicí prvky) - logické a aplikační moduly, prvky pro
zajištění komplexních funkcí.
Hardware přístrojů KNX/EIB lze rozdělit na:

„vnitřní“ hardware – elektronické stavební prvky (mikrokontroléry),

„vnější“ hardware – vnější zakrytování a elektrické přípojky.
„Vnější“ hardware
Přístroje KNX/EIB se liší svým mechanickým konstrukčním provedením a lze je
rozdělit podle způsobu instalace na přístroje:

pro montáž na nosnou lištu do rozvaděčů,

vestavné,

pro zapuštěnou montáž,

pro nástěnnou montáž.
Pro specifikaci prvků jsou důležité nejen jejich mechanické vlastnosti (konstrukční
provedení, zakrytování, rozměry), ale i elektrické vlastnosti (napájecí napětí,
výkonové zatížení, druh jištění). Způsob zapojení daného přístroje a jeho technické
parametry jsou uvedeny v technické dokumentaci a prospektech výrobců.
Jako příklad specifikace jednotlivých komponent vnějšího hardware s popisem
technických parametrů, použitého v rámci konkrétního projektu bych chtěl zmínit
projekt měření úspory energií v rámci řízení osvětlení v účelové budově. Tento
projekt byl realizován spolu s firmou, zabývající se projekční pracemi a kompletacemi
elektro dodávek.:
3.6. Komunikace
Účastníci systému KNX spolu na sběrnici komunikují prostřednictvím skupinových
adres, kterým se přiřazují skupinové objekty. Tyto skupinové objekty v rámci jedné
skupiny musí mít vždy stejnou velikost. Jednotlivé objekty je možné přiřadit i do
několika skupinových adres, ale pouze první z nich je vysílací, ostatní adresy slouží
jen k příjmu – čtení.
Nejmenší instalace KNX.TP
Nejmenší instalace TP1-KNX se skládá z těchto dílů:

napájecí zdroj (29 V DC),
73

tlumivka (může být součástí napájecího zdroje),

snímač,

akční člen,

sběrnicové vedení (je požadováno dvoužilové vedení).
Po instalaci ještě není sběrnicový systém KNX/EIB připraven k provozu. Funkčním
se stane teprve po naprogramování aplikačních softwarů do snímačů a akčních
členů využitím software ETS (Engineering Tool Software, verze 4).
Projektant musí uskutečnit následující projekční kroky v ETS:


zadání individuálních adres jednotlivým přístrojů (pro jednoznačnou
identifikaci snímače nebo akčního členu v instalaci KNX),

výběr a nastavení (parametrizace) vhodného aplikačního software
snímačům a akčním členům,

zadání skupinových adres (pro provázání funkcí snímačů a akčních členů).
Individuální adresa
V každé elektroinstalaci KNX/EIB musí být jednoznačně určena individuální adresa.
V normálním případě se účastník na sběrnici připraví k přijetí své individuální adresy
stisknutím programovacího tlačítka na přístroji. Individuální adresa se po uvedení do
provozu používá ještě k následujícím účelům:

diagnostika, opravy chyb, změna zařízení novým naprogramováním,

adresování jednotlivých objektů (interface) při použití nástrojů pro uvádění
do provozu nebo pomocí jiných přístrojů.
Obr. 3.39. Individuální adresa KNX

Skupinová adresa
Komunikace mezi přístroji v jedné instalaci probíhá prostřednictvím skupinových
adres.
Skupinová adresa se u určitého projektu vyskytuje nejméně dvakrát. Jednou u
snímače a jednou u akčního členu. Přiřazením stejné skupinové adresy snímači a
akčnímu členu se tyto navzájem funkčně propojí. Dříve se používalo
dvouúrovňového adresování.
74
Obr. 3.40. Skupinová adresa dvouúrovňová (H - hlavní skupina, P – podskupina)
Od verze ETS 2 se používá tříúrovňového vytváření skupinových adres. Hlavní
skupina, střední skupina a podskupina. Nezávisle na typu adresování může být
zadáno v jednom projektu až 32.768 různých skupinových adres.
Obr. 3.41. Skupinová adresa tříúrovňová (H-hlavní skupina, S-střední skupina, P–
podskupina)
Skupinová adresa 0/0/0 je rezervována pro tzv. celoplošná hlášení (Broadcast),
telegramy určené všem účastníkům.
Příklad použití jednotlivých úrovní dle následujícího členění:

Hlavní skupina – přízemí/poschodí,

Střední skupina – funkční skupiny (např. osvětlení, topení …),

Podskupina – funkce spotřebiče nebo skupiny spotřebičů (např. světelný
okruh, kuchyň zap /vyp, okna ložnice otevřena/zavřena, stropní svítidlo v
obývacím pokoji zap/vyp, …).
Akčním členům lze přiřadit několik skupinových adres. Snímače však odesílají pouze
jednu skupinovou adresu v jednom telegramu.
Údaj 1.2.2 znamená, že se jedná o 2. účastníka v 2 linii, v 1. oblasti. Údaj 2.0.0 je
oblastní spojka, která přísluší k hlavní linii, 2. oblasti a je spojena s páteřní linií.
Vlajka adresy
Aby účastníci KNX/EIB při příjmu datových telegramů mohli poznat, zda je cílová
adresa individuální adresou, nebo adresou skupinovou, existuje speciální bit v 6
datovém bytu telegramu – tzv. vlajka příjemce (Destination Address Flag – DAF).
Jako jeho hodnota se dosadí nula, jestliže je cílová adresa individuální, v ostatních
případech je rovna jedné.
75
Tyto vlajky si lze představit jako jednosměrné nebo obousměrné spínače v
sérioparalelním uspořádání.
Obr. 3.42. Vlajky komunikačních objektů
V cestě přenášené informace mezi sběrnicí a aplikačním modulem jsou vlajky
komunikačního objektu a také aplikační program, jehož prostřednictvím jsou
nastaveny parametry přístroje, které rovněž ovlivňují činnost aplikačního modulu.
Jakou činnost ale zabezpečí určitá nastavení jednotlivých vlajek? Vlastnosti
jednotlivých vlajek jsou uvedeny v níže uvedené tabulce.
Komunikace (C): Pokud je vlajka komunikace ve vypnutém stavu, nemůže probíhat
výměna informací mezi aplikačním modulem a sběrnicí. Je-li vlajka v zapnutém
stavu, komunikace může probíhat správně, pokud další vlajky jsou rovněž správně
nastavené.
Vlajka komunikace působí jako obousměrný spínač.
Přenos (T): Přenosová vlajka působí pouze jako jednosměrný spínač od aplikačního
modulu ke sběrnici. Tuto vlajku musí mít vždy nastaveny snímače – minimální
nastavení vlajek u komunikačních objektů snímačů je C + T.
76
Communication
X
telegramy jsou potvrzeny, skupinový objekt
však nezmění
Komunikace
Read
X
Čtení
Write
X
hodnota objektu může být změněna po
sběrnici
hodnou objektu nelze změnit po sběrnici
X
Přenos
Update
hodnotu objektu lze číst po sběrnici
hodnotu objektu nelze číst po sběrnici
Zápis
Transmit
skupinový objekt komunikuje se sběrnicí
telegram je přenášen, když je změněna
hodnota objektu
skupinový objekt odešle odpověď jen
v případě, když obdržel požadavek na čtení
X
Aktualizace
hodnota
telegramu
s odezvou
interpretována jako zapisovací příkaz
hodnota
příslušného
telegramu
interpretována jako zapisovací příkaz
X
je
není
přístroj nezávisle odesílá hodnotu Read
s příkazem pro inicializaci skupinového
objektu po změně směru toku proudu
Read on init
po otočení proudu přístroj neinicializuje
hodnotu přiřazeného skupinového objektu
prostřednictvím příkazu Read
Tab. 3.11. Vlastnosti objektů
Zápis (W): Toto je vlajka zápisu pro komunikační objekty akčních členů – jedná se
opět o jednosměrný spínač, avšak s přenosem informace přenášené po sběrnici
směrem k aplikačnímu modulu. Jedině jejím prostřednictvím je zabezpečována
činnost aplikačního modulu akčního členu. Minimálním nastavením vlajek
komunikačního objektu akčního členu je C + W.
Čtení (R): Tato obousměrná vlajka čtení je určena pro zjišťování aktuálního stavu
funkce spojené s komunikačním objektem a je velmi důležitá např. pro komunikaci s
77
vizualizačními prostředky. Komunikační objekt po sběrnici obdrží dotaz na stav
objektu. Dotaz i následná odpověď se přenáší prostřednictvím vlajky R.
V ETS lze propojovat pouze skupinové objekty se stejnými rozměry skupinových
adres. Skupinovému objektu lze přiřadit i několik skupinových adres, přičemž ale jen
jedna (první z nich) je vysílanou skupinovou adresou.

Standardizované typy datových bodů (DPT)
Typy datových bodů byly standardizovány pro zajištění kompatibility přístrojů
stejného druhu od různých výrobců (např. stmívače, hodiny). Tato standardizace
zahrnuje požadavky na formát dat a strukturu skupinových objektů funkcí snímačů i
akčních členů. Kombinace různých standardizovaných typů datových bodů se
nazývají funkčními bloky.
Označení typů datových bodů se řídí podle toho, pro jakou aplikaci byly zamýšleny.
To nemusí vždy znamenat, že aplikace jednoho DTP je omezena na tuto aplikační
oblast. Níže jsou uvedeny standardizované typy datových bodů.
Typ EIS
Popis
Velikost
EIS 1
Switch – spínání
Přepínač
1 bit
EIS 2
Dimming -
Stmívání
1 bit / 4 bit / 1 byte
EIS 3
Time
Čas
3 byte
EIS 4
Date
Datum
3 byte
EIS 5
KNX
floating
values
EIS 6
Relative value
Relativní hodnota
1 byte
EIS 7
Drive kontrol
Řízení pohonu
1 bit
EIS 8
Priority
Priorita, kontrola
1 bit
EIS 9
4 byte
EIS 10
KNX
floating
point IEEE - plovoucí
values
Counter value 16 bit
16 bitový čítač
EIS 11
Counter value 32 bit
32 bitový čítač
4 byte
EIS 12
Access control
Řízení přístupu
4 byte
EIS 13
Characters
ASCII znak
1 byte
EIS 14
Counter value 8 bit
8 bitový čítač
1 byte
EIS 15
Character string
řetězec ASCII
14 byte
point IEEE
–
hodnota
plovoucí 2 byte
Tab. 3.12. Typy datových objektů EIS
78
2 byte

Telegram KNX TP1
Veškeré informace, které si při řízení systémové instalace KNX/EIB vyměňují
jednotlivé přístroje (jednotliví účastníci připojení ke sběrnici), jsou ve formě digitálních
pulsů, dosahují tedy pouze dvou stavů. Jednotkou přenosu je 1 bit, který může
nabývat hodnoty logické „0“ nebo logické „1“. Pro binární přenos informací se
využívá hexadecimálního kódování, což značí 16 možných stavů pro přenášené číslo
v binárním vyjádření, zatímco v dekadickém vyjádření je možné jedním dekadickým
místem vyjádřit 10 možných stavů.
Pro různé funkce nebo nastavené či měřené hodnoty je nezbytné přenášet informace
vyjadřující svou délkou a počtem stavů potřebný obsah. Takže příkazu vyjadřujícímu
spínání (tedy poloha ZAP nebo VYP) postačí pro vyjádření rozměru dat jen 1 bit, tzn.
dva provozní stavy, odpovídající logické „1“ pro ZAP a logické „0“ pro VYP. Stavy od
0% do 100% pro nastavení výšky žaluzií nebo úhlu jejich natočení, případně pro
nastavení úhlu otevření polovodičového ventilu stmívače se vyjadřují 256 kroky, tedy
celkem 256 stavy, pro jejichž binární vyjádření je potřebných 8 bitů (1 byte). Stavy
různých fyzikálních veličin se tak mohou vyjadřovat různě dlouhými daty s různými
počty stavů.
Rozměr dat
Počet stavů
Název
Bit
KNX aplikace (výběr)
1 bit
2
Spínaní
2 bity
4
Priorita
4 bity
16
Stmívání
8 bitů
256
Byte
Hodnota
16 bitů
65 536
Slovo
Teplota
32 bitů
4 294 967 296 Dvojité slovo čítač
Tab. 3.13. Příklady binárních hodnot s formáty dat
Vlastní komunikace – výměna dat probíhá prostřednictvím telegramů. Telegram
obsahuje především údaje o adrese odesílatele, adrese příjemce, přenosové
podmínky, odesílaná data a kontrolní pole.
Telegram je vysílán rychlostí 9600 bitů/s. Znamená to, že 1 bit „zaneprázdní“ sběrnici
na 1/9600 s, tj. 104 μs. Znak se stává z 11 bitů. Společně s dobou pauzy (2bity) mezi
dvěma znaky je doba pro přenos znaku 1,35 ms (13 bitů).
79
Obr. 3.43. Skladba přenosového znaku KNX
Jakmile nastane nějaká událost (např. stisknutí tlačítka), odesílá sběrnicový přístroj
telegram na sběrnici.
Obr. 3.44. Přenos telegramu KNX
Odesílání bude zahájeno, jestliže sběrnice není obsazena alespoň po dobu
přenosového zpoždění t1 odpovídající době přenosu 50 bitů (5,2 ms – doba potřebná
pro prověření, zda je sběrnice volná, v případě obsazené sběrnice i pro přerušení
přenosu telegramu s nižší prioritou) po němž následuje odeslání kompletního
telegramu, obsahujícího všechny potřebné informace. Po úplném odeslání telegramu
mají sběrnicové přístroje k dispozici dobu t2 (13 bitů (1,352 ms)) k ověření, zda byl
telegram přijat správně. Pokud toto potvrzení o příjmu neobdrží, může vysílání
telegramu až třikrát opakovat, což zajišťuje vysokou spolehlivost systému. Potvrzení
(zpětné hlášení) příjmu telegramu má následující stavy:

ACK – zpětné hlášení bylo správně přijato (pozitivní potvrzení),

NAK – příjemce nemohl přijatý telegram zpracovat (negativní potvrzení),

BUSY – datový telegram byl chybně přijat (negativní potvrzení).
Doba přenosu telegramu je 20 až 40 ms. Všechny „adresované“ sběrnicové přístroje
současně potvrdí přijetí telegramu.
Telegramy jsou dvojího druhu:

datové telegramy,

potvrzovací telegramy (zpětná hlášení).
Telegram je datová informace postavená na referenčním modelu OSI (Open System
Inter connection) podle mezinárodní normy ISO 7498.
80
16 bit
16 + 1 bit
3
4
až 16 x 8 bit
(Check byte)
Ověřovací byte
(Useful data)
Užitečná data
(Length)
(Routing
Délka
counter)
(Target
address)
Routingový
čítač
Cílová adresa
(Source
address)
Zdrojová adresa
(Control field)
Kontrolní pole
8 bit
8 bit
Tab. 3.14. Struktura datového telegramu KNX TP ISO 7498
Kontrolní pole - dává informaci o důležitosti neboli přenosové prioritě. Ta je důležitá,
jestliže začne vysílat více účastníků současně. Tuto prioritu lze nastavit každému
skupinovému objektu prostřednictvím programovacího software KNX/EIB ETS.
Standardní nastavení je nízká priorita. Obsahuje také informaci, zda se jedná o
opakovaný telegram. Tím se zamezí, aby účastnící vykonávali příkazy opakovaně.
Zdrojová adresa - udává fyzickou adresu přístroje, který informaci na sběrnici zaslal.
Cílová adresa – je to zpravidla skupinová adresa, může se však jednat i adresu
fyzickou. Pokud se jedná o skupinovou adresu, oslovují se všichni účastníci sběrnice,
kteří mají tuto adresu přiřazenu. V případě fyzické adresy se oslovuje (aktivuje) jen
jeden přístroj (účastník). Toho se využívá pro zasílání systémových telegramů
(programování sběrnice). To, jestli se jedná o adresu skupinovou, nebo fyzickou
určuje 17. bit.
17. bit = 1
=>
skupinová adresa,
17. bit = 0
=>
fyzická adresa.
Routingový čítač - udává počet routerů (průchodů liniovou spojkou), přes které
bude telegram vyslán.
Délka – popisuje velikost užitečné informace.
Užitečná data - tato část telegramu obsahuje předávaná data EIS (EIB Interworking
Standard) a vlastnosti komunikačních objektů, tzv. vlajky (flag), které určují způsob
komunikace.
Ověřovací byte - informace ve formě paritních bitů, která slouží k ověření správnosti
doručeného telegramu využívající příčného a podélného zabezpečení. Kombinací
těchto dvou zabezpečení vzniká křížové zabezpečení.
81
Obr. 3.45. Symetrický přenos telegramu KNX
Telegramy jsou na sběrnici vysílány ve formě logických 0 a 1, které se provádí
změnou polarity napětí. Přenos signálů probíhá symetricky, tj. že záporný potenciál
na plusovém vodiči má svůj zrcadlový obraz ve formě kladného potenciálu na
minusovém vodiči, což představuje minimální napětí Umin = 14 V, nebo naopak při
kladném potenciálu na plusovém vodiči a zrcadlovém obrazu ve formě záporného
potenciálu na minusovém vodiči, dostaneme napětí Umax = 34 V.
Vzhledem k tomu, že sběrnicové spojky reagují pouze na rozdíl potenciálů mezi
vodiči sběrnice, nikoli na jejich napětí vůči jiným potenciálům, např. ochrannému
vodiči, jsou téměř imunní vůči vnějším rušivým vlivům, které působí na kabel a to i
bez připojeného ochranného stínění. Tím dostáváme maximálně spolehlivý provoz
přenosů na sběrnici. Pro konfiguraci a nastavení parametrů v systému KNX lze
vycházet ze tří způsobů:

A-Mode (automatická konfigurace) – vychází z původní koncepce EHS a
používá se především v oblasti „bílého zboží“. Konfigurace zde proběhne
automaticky po instalaci do systému a uživatel si ji může provést sám.
82

E-Mode (snadná konfigurace) – jsou zde omezeny možnosti
parametrizace, využívá se u malých zařízení. Konfigurace probíhá za
pomocí specializovaných ovladačů s požadavkem na minimální znalosti
technologie KNX.

S-Mode (systémová konfigurace) – Nejběžnější způsob konfigurace
prostřednictvím PC a systémového prostředí ETS (Engineering Tool
Software), konfiguraci provádí certifikovaní instalátoři s osvědčením
asociace Konnex.
Obr. 3.46. Možnosti konfigurace KNX
ETS – Engineering tool software
Aby byl systém plně funkční, je nutné nastavit jednotlivým účastníkům patřičné
parametry. K tomuto slouží nezávislý softwarový nástroj ETS (Engineering Tool
Software). Tento software je dodáván jako normalizovaný softwarový produkt přímo
asociací KNX. Stejně tak jako probíhal vývoj standardu EIB a následně KNX,
souběžně probíhal i vývoj tohoto software v následujících verzích:

ETS1 1993 – 1996

ETS2 1996 – 2004

ETS3 2004 – 2010

ETS4 2010 –
V současnosti je nejpoužívanější verze ETS3, přičemž asociace KNX nabízí upgrade
na verzi ETS4 s možností souběžného užívání obou verzí a postupného přechodu.
Poslední verzí těchto programů je upgrate nové verze ETS 4.1, která byla
představena u příležitosti výstavy Light & building ve Frankfurtu v dubnu 2012.
Uživatelé mají možnost volit z několika možností licence SW:
83
ETS4 Demo – bez licenčního klíče, umožňuje přístup na sběrnici, pracovat s
libovolným počtem projektů, ale vždy jen s max. 3 účastníky.
ETS4 Lite – licencovaná verze s plnohodnotným přístupem na sběrnici, ale s
omezením na max. 20 účastníků.
ETS4 Professional – plnohodnotná licencovaná verze programu, k dispozici jsou
dvě možnosti aktivace:

softwarovým klíčem, tato licence je přímo vázána na ID číslo počítače,

hardwarovým klíčem, tzv. DONGLE KEY, použitelný na více počítačích, v
případě, že HW klíč není v počítači zasunut, běží software v režimu demo.
ETS4 Supplementary – plnohodnotná licencovaná verze programu, jedná se o
cenově zvýhodněnou licenci, kterou je možné dokoupit k hlavní licenci ETS4
Professional, maximálně však 2 licence.
ETS4 Training Pack – vzdělávací licence pro školy, sloužící výhradně pro studijní
účely, komerční použití je zakázáno. Jedná se o cenově zvýhodněný balík, který
obsahuje 1 x ETS4 Professional, 10 x ETS4 Lite, 2 x příručku školicích materiálů.
Software ETS umožňuje návrh, diagnostiku a konfiguraci veškerých certifikovaných
zařízení KNX s využitím aplikačních programů, které jsou dodávány s jednotlivými
zařízeními nebo jsou k dispozici ke stažení z webových stránek výrobců. Tyto
aplikační programy jsou také vytvářeny ve speciální verzi SW s označením ETS+,
která je určena pro výrobce KNX přístrojů. Veškeré aplikační programy jsou před
uvedením na trh předkládány asociaci KNX ke schválení.

Postup při programování KNX
Prvním krokem, než se začne vytvářet program, je import aplikačních programů.
Není dobré do databáze importovat zbytečně veškeré aplikační programy, které jsou
k dispozici, ale je vhodné vybírat pouze z těch prvků, které budou v projektu využity,
jinak se vytvoří zbytečně datově objemná databáze, což bude zpomalovat práci a
nepoměrně zatěžovat paměť PC. Určitě je vhodné pro každý projekt vytvořit vlastní
databázi.
Nyní lze založit vlastní projekt. Při vytvoření nového projektu nabídne program okno
s pojmenováním projektu a určení komunikačního média (TP/PL/IP). Následně se
vytvoří struktura projektu, což je vložení budov, místností a rozvaděčů. Toto sice není
nutnou podmínkou a tento krok lze vynechat, ale má svou důležitost pro přehlednost
a následný servis. Nyní již lze do vytvořených místností a rozvaděčů vkládat
jednotlivé přístroje, kde jsou jim přiřazeny jejich fyzické, neboli individuální adresy.
Pokud jsou všechny přístroje v projektu vloženy, lze přistoupit k vytvoření
skupinových adres. Ty určují jednotlivé funkce systému. V programovacím prostředí
ETS3 byla tato adresace patnácti bitová, zatímco v ETS4 je již šestnácti bitová, což
zdvojnásobilo počet použitelných funkcí – skupinových adres. Každá skupinová
adresa musí být přiřazena jak ke snímači, tak k akčnímu členu a slouží právě k jejich
84
vzájemné komunikaci. Snímač na danou adresu vyšle datovou informaci ve formě
telegramu, odkud ji akční člen přečte a vykoná požadovanou funkci. V jednom
projektu lze použít maximálně 65.536 (32.768 při použití ETS3) skupinových adres s
následující strukturou:
Hlavní skupina
0 až 31 = 32 skupin (0 až 15 = 16 adres v ETS3 a nižší)
Střední skupina
0 až 7 = 8 skupin
Podskupina
0 až 255 = 256 skupin
Obr. 3.47. Postup při vytváření projektu v ETS

Vizualizace
Vizualizace je grafické znázornění provozních stavů jednotlivých funkcí, případně
jejich ovládání, a v neposlední řadě vytváření vazeb pro možnosti řízení, časové
nastavení a vytváření různých scén. V průmyslové instalaci je vizualizace častěji
zmiňována pod názvem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition systémy pro řízení a sběr dat). Jedná se o software, pomocí kterého lze zobrazovat,
případně ovládat jednotlivé funkce systému.
V systémové instalaci KNX/EIB máme k dispozici několik možností, jak lze vizualizaci
provést. Je možné zvolit nejjednodušší cestu, což je vizualizace LED diodami
doplňující tlačítkové ovladače, využívajícími univerzálních koncentrátorů, u kterých
85
lze jednotlivé póly naprogramovat jako binární vstup, nebo výstup. Tento typ
vizualizace je vhodný jen pro menší aplikace.
Další možností jsou jednoduché LCD (Liquid Crystal Display) panely, kde již lze
navíc zobrazovat i analogové hodnoty jednotlivých snímačů, např. hladinu osvětlení,
rychlost větru, teplotu.
Nejčastěji se však používá vizualizace dotykovými panely, které jsou přímo
uzpůsobené pro systém KNX. Pomocí těchto panelů lze zobrazovat veškeré stavy
systému, je zde možné vytvářet různé scény, časové programy a různé logické
funkce. Pomocí těchto panelů lze i nastavovat parametry dalších prvků na sběrnici.
Do některých těchto panelů lze integrovat i ovládání audiovizuální techniky.
Další možností je použití vizualizačního software, který lze instalovat na libovolný
počet počítačů (dle zakoupených licencí) a pomocí rozhraní a patřičných ovladačů je
možné se připojit ke sběrnici, přičemž nejpoužívanější propojení je prostřednictvím
OPC (OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control) serveru. Pomocí
tohoto software lze systém KNX monitorovat a ovládat i vzdáleně přes internet.
Prostřednictvím OPC serverů lze komunikovat i s ostatními systémy v budově a
vzájemně s nimi sdílet data.
Obr. 3.48. Dotykový panel Comfort Touch
Poslední možností je vizualizace pomocí přenosných médií – IPod, IPhone, Android,
které dnes díky vyspělé technologii mají stejné možnosti, jako běžné PC.
86
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
VAŇUŠ, Jan. VŠB, TU Ostrava, FEI, KAT 450, Řízení provozu budov.
SBĚRNICOVÝ
SYSTÉM
KNX.
2013,
43
s.
Dostupné
z:
http://rc111.vsb.cz/rpb/materials/s3.pdf
[2.]
BILANCE A VÝPOČTY. EKOWATT. Encyklopedie, Centrum pro obnovitelné
zdroje a úspory energie [online]. Praha 8, září 2008 [cit. 2014-05-27].
Dostupné z: http://hestia.energetika.cz/encyklopedie/12.htm
[3.]
LOKALITA A OKRAJOVÉ PODMÍNKY. EKOWATT. Encyklopedie, Centrum
pro obnovitelné zdroje a úspory energie [online]. Praha 8, září 2008 [cit. 201405-27]. Dostupné z: http://hestia.energetika.cz/encyklopedie/11.htm
87
4 Akumulační prostředky
Otázka ukládání elektrické energie je stejně stará jako sám objev elektřiny. Již od
dob Alessandra Volty a Andrého M. Ampéra probíhaly různé pokusy s akumulací
elektrické energie. Důležité si je na úvod uvědomit, že není vhodné zaměňovat slova
baterie a akumulátor, protože se tyto výrazy významově liší. Několikrát během tohoto
textu se bude skloňovat slovo akumulace, akumulátor nebo akumulační baterie.
Obvykle je slovo baterie vnímáno jako galvanický článek nebo elektrochemický
akumulátor, vhodný do ručních svítilen apod. Zde se slovo baterie může objevit ve
významu akumulačního prostředku, popřípadě akumulačních prostředků (baterie je
vlastně souprava několika článků). Nebude-li uvedeno jinak.
Pojem akumulace elektrické energie lze přeložit jako hromadění či zásoba elektrické
energie nebo jako uchování energie pro její pozdější využití ve vhodné kvalitě a
kvantitě. V současné době je nejrozšířenějším akumulačním médiem olověný
akumulátor. Většina z nás ho zná především v automobilech. Někdy se můžeme
setkat také s pojmem primární baterie. Tím je myšlena skutečnost, že článek je
schopen dodávat energii bez prvotní disociace – tzv. suché články (klasicky známé
monočlánky). Naopak sekundární druh potřebuje prvotní nabití.
Akumulační systémy jsou z hlediska výroby a spotřeby elektrické energie
nezastupitelné. Elektřina je komodita z principu velice problematická a jakékoliv
snahy o její distribuci naráží na problém okamžité poptávky a nabídky. Akumulátory,
respektive skladiště energie, jsou v současné době stále ve vývoji. Nicméně máme
možnosti, jak elektřinu s poměrně dobrou účinností skladovat.
Problematika akumulace je v současné době skloňována především s řešením v
oblasti eliminace diskontinuity dodávky elektrické energie z obnovitelných zdrojů a
vychází z principů jednotlivých alternativních zdrojů energie a z problémů spojenými
s časově proměnlivým výkonem těchto zdrojů.
V současné době je tedy akumulace důležitá ze dvou důvodů:


optimálně začlenit OZE do sítě,
připravit se na tzv. chytré sítě (smart grid), které v budoucnu převezmou funkci
dnešních sítí.
4.1. Rozdělení akumulačních systémů
Akumulační systémy lze rozdělit do několika skupin a podskupin, dle atributů, které
popisují jejich vlastnosti a určují jejich použití. Tyto atributy jsou uvedeny níže.
Akumulační systémy je možné rozdělit i na další skupiny, které již však nejsou tak
významné pro energetiku.
Akumulace velkých objemů elektrické energie je dnes v převážné většině
uskutečňováno pomocí přečerpávacích elektráren. Přečerpávací elektrárny jsou
velkým akumulátorem a pro dnešní energetiku v podstatě jediným možným řešením.
Jestliže někdo namítá, že tato funkce je vcelku zbytečná a drahá, že stačí např. v
88
nočních hodinách snížit výkon elektráren, ten není obeznámen s problematikou
energetiky, zejména pak s fyzikálními podmínkami najíždění a odstavování
turbosoustrojí.
Na základě uvedených skutečností můžeme konstatovat, že akumulace je jedním ze
základních problémů dnešní energetiky. Pokud je již celkem uspokojivě vyřešena
výroba energie tzn. její výroba v normálním zatížení vzhledem k dennímu diagramu
zatížení, pak zejména špičkový provoz a náhlé propady (výkyvy) spotřeby – dodávky,
stále představují problém, který je nutné urychleně vyřešit.
Naše elektrizační soustava je propojena s evropskou. Její zkratka je ENTSO-E
(European Network of Transmission System Operators for Electricity). V rámci
propojených elektrizačních soustav funguje tzv. solidárnost, což znamená, že v době
špiček, tzn. v náhlých propadech nebo nárustech spotřeby energie si jednotlivé
elektrizační soustavy vypomohou krátkou stimulací. Zde se fakticky dostáváme do
konfliktu s ekonomickou stránkou věci, neboli cena za 1 MWh energie v záskoku je
přibližně 2x až 3x vyšší než běžná cena za elektrickou energii.
Akumulační soustavy můžeme rozdělit podle:
a) Požadovaného výkonu
 Okamžitý
 Záložní
b) Akumulační kapacity
 Malá
 Střední
 Velká
c) Fáze přeměny při akumaluci
 Homogenní
 Heterogenní
d) Počtu cyklů
 Denní
 Týdenní
 Celoroční
 Nepravidelná
e) Formy ukládání energie
 Přímou
 Nepřímou
f) Rychlosti a reakční rychlosti u nabíjení a vybíjení
 Pomalá
 Rychlá
Akumulační systémy lze také dělit na primární a sekundární. Primární mohou
dodávat energii ihned, sekundární až po polarizaci elektrod (prvotně se musí nabít).
Technologické rozdělení můžeme vyjádřit blokovým diagramem níže uvedeným.
89
Obr. 4.1. Rozdělení akumulačních soustav
Na dalších obrázcích je znázorněno rozdělení akumulačních systémů z hlediska
ekonomického, popřípadě z požadavků aplikace na konkrétní soustavu.
90
Obr. 4.2. Rozdělení systémů podle nákladů na jednotku energie
Obr. 4.3. Životnost a účinnost akumulačních systémů
91
Obr. 4.4. Výkonové požadavky na akumulační soustavy
4.2. Akumulační soustavy a jejich podrobnější popis
Požadovaný výkon
Potřeba dostatečného výkonu je dána aktuálním rozložením spotřeby elektrické
energie a její výrobou při náhlých výpadcích velkých zdrojů. Pro tento případ je
rozhodujícím členem právě požadovaný výkon a schopnost ho rychle poskytnout.
Okamžitým záložním výkonem se rozumí stav, kdy je potřeba elektrická rezerva do 5
minut. Ideální pro pokrytí touho požadavku jsou vhodné právě akumulační systémy
na principu setrvačníků nebo kondenzátorových baterií (pro menší výkony – řádově
do desítek kW), nebo přečerpávací vodní elektrárny (pro větší výkony – řádově
desítky až stovky MW).
Rychlé, popřípadě pomalé zálohy (časový úsek mezi 5 až 30 minutami a nad 30
minut) mohou převzít baterie, které jsou složitějších konstrukcí, a které budou
popsány dále. U pomalých záloh je možno počítat už s nasazením elektráren,
zejména na zemní plyn a studených záloh.
Akumulační kapacita
Akumulační schopnost neboli kapacita akumulátoru se udává obvykle jako náboj v
ampérhodinách nebo jako akumulační energie ve watthodinách. Je stejně důležitým
pojmem jako požadovaný výkon. Je to doslova schopnost (vlastnost) daného
uspořádání nahromadit v sobě elektrické náboje. Někdy se jí také říká jímavost
akumulátoru.
92
S kapacitou akumulátoru se budeme setkávat v textu velice často, protože dle této
kapacity můžeme rozhodnout o vhodnosti pro konkrétní instalace.
Počet cyklů
Počet cyklů je termín, který je vhodné zmínit v souvislosti s dlouhodobou akumulací,
kde se předpokládá časté střídání režimů. Naopak pro akumulaci záložní (tzv.
zálohové akumulátorovny v jaderných elektrárnách), je počet nabíjecích a vybíjecích
cyklů zásadní. Zde se uplatňují jiné aspekty, zejména spolehlivost a dostatečný
výkon v relativně krátkém okamžiku.
Rychlost a reakční rychlost u nabíjení a vybíjení
Rychlost nabíjení versus vybíjení není ničím jiným, než schopností baterie dosáhnout
plné kapacity nabití (vybití) během specifického časového úseku. Kupříkladu
kondenzátory mají jiné parametry než olověné baterie.
Dalším sledovaným údajem je reakční rychlost změny mezi nabíjením a vybíjením.
Tedy schopnost se přizpůsobovat aktuálním požadavkům kladených na akumulátory.
Údaje o rychlosti změny nabíjení nebo vybíjení jsou důležité pro obnovitelné zdroje
energie, jejichž výroba je obtížně predikovatelná. Tato rychlost se může pohybovat
od řádů desetin milisekund až po desítky minut.
Fáze přeměny
Fázi přeměny můžeme definovat pro homogenní a hetererogenní systémy.

Homogenní systémy:
Homogenním systémem nazýváme systém, kde podoba je ukládání a odběr energie
řešen shodným principem přeměny energie. Mluvíme-li o elektrické energii, potom za
homogenní systém lze považovat uskladnění ve formě magnetického nebo
elektrostatického pole. V současné době na těchto principech pracují cívky (SMES)
nebo kondenzátory (Super nebo ultra kapacitory).

Heterogenní systémy:
Heterogenním systémem můžeme nazývat systém, kde podoba ukládání a odběr
energie je řešena odlišným principem (i částečným) přeměny energie.
Tímto způsobem jsou řešeny všechny ostatní druhy akumulačních systémů
(chemické vazby, mechanické, tepelné aj.).
Mechanické akumulační systémy

Kinetická energie
Setrvačníky (Flywheel)
Setrvačník je historicky známé zařízení. Jeho přednosti jsou zejména v
jednoduchosti a mnohostranném použití. Moderní setrvačníky dosahují běžně
rychlosti otáčení přes 20.000 min-1 (i přes 50.000 min-1) Samozřejmostí je i použití
93
magnetických ložisek. Rotor se točí ve sníženém tlaku okolního média (blížící se
vakuu). Speciální konstrukční prvky snižují mechanické ztráty na minimum a zaručují
vysokou účinnost.
Akumulační systémy se setrvačníky by mohly v budoucnu nahradit některé ze
starších typů baterií, většinou založených na principu Ni-Cd. Vůči bateriím dosahují
tyto systémy poměrně značných výhod, protože množství cyklů není omezeno
chemickými pochody. Proto se životnost setrvačníků může pohybovat řádově v 105
cyklů, respektive několik let. Záleží pouze na předepsané údržbě (většinou se
problém týká ložisek, má-li stroj nějaké a dále ůže docházet k únikům chladiva,
popřípadě ztrátě vakua).
Těleso setrvačníku je tvořeno uhlíkovými vlákny, které mají velkou pevnost a při
poruše se mohou snadno rozštěpit na malé úlomky s malou kinetickou energií.
Účinnost setrvačníku je vysoká, dosahuje hodnoty přes 90%. A pro výpočet
energetického potenciálu setrvačníků jsou nutné následující aspekty.
Setrvačníky můžeme dělit na:


ideální jednorozměrný setrvačník,
ideální dvojrozměrný nebo vícerozměrný setrvačník.
a) Energie v jednorozměrném setrvačníku je dána rovnicí:
(
)
kde
E - energie (J)
m - hmotnost (kg)
v - rychlost (m.s-1)
- úhlová rychlost (rad.s-1)
r - poloměr (m)
Odstředivá síla:
kde
F - síla (N)
Důležití veličina je též pnutí ve struně, která definuje bezpečnost a je:
kde
94
A - průřez (m2)
- síla (Pa)
b) Energie v dvojrozměrném setrvačníku je dána:
Vycházíme z polárního momentu setrvačnosti:
kde
J - moment setrvačnosti (kg.m2)
- hustota (kg.m-3)
Potom:
Energie setrvačníku:
[
( ⁄ ) ]
kde
k - koeficient
Energie předaná do zátěže je:
[
95
( ⁄ ) ]
Obr. 4.5. Jednorozměrný setrvačník
96
Obr. 4.6. Dvojrozměrný setrvačník
Hustota energie v setrvačníku:
(
) [
( ⁄ ) ]
A pnutí v materiálu:
(
)
Na základě vlastností vyjádřenými výše uvedenými vztahy můžeme říci, že čím lehčí
a pevnější materiál, tím vyšší hustota energie:
Pro supravodivé magnety na ložiska se používájí nejmodernější materiály, jako
například texturované bloky YBa2Cu3Oy, které při teplotě 29 K dosahují magnetické
indukce téměř 17 Tesla! Pro představu: nejlepší permanentní magnety mají
magnetickou indukci B ≈1,7T .
Kompaktní kovové Uhlíkové kompozitní Power ring
97
Uhlíková vlákna
Pomaluběžné
Klasická ložiska
Rychloběžné
Magnetická ložiska
Supravodivá ložiska
Tab. 4.1. Rozdělení setrvačníků podle specifických vlastností
Obr. 4.7. Ukázka moderního setrvačníku (Beacon Power)
Elektrochemická přeměna - akumulace
Mezi elektrochemické akumulátory zařazujeme zejména průtokové baterie, palivové
články a akumulátory.

Průtokové baterie
Průtokové baterie jsou poměrně novou technologií. Jsou nabíjeny stejně jako
konveční baterie, ale skladování je prostřednictvím tekutého elektrolytu. Tento
elektrolyt je pomocí čerpadel vháněn do zásobních tanků a z nich je zpět přiváděn do
chemického článku, jak ukazuje obrázek následující obrázek.
V současnosti je několik typů průtokových baterií pracujících na principech:



Elektrochemické oxidace a redukce vanadu – VRB
Uskladnění pomocí halogenu Br – ZnBr
Na roztoku Polysulfid Bromidu (PSB, Br/S)
98

CeZn (cér/zinek) – zatím ve vývoji
Obr. 4.8. Princip průtokové baterie
Elektrochemické oxidace a redukce vanadu – VRB
Obecně se oxidace a redukce nazývá redoxovým systémem. Vanadiová redoxová
baterie disponuje ojedinělými funkcemi, které ji pasují do nejpravděpodobnějšího
kandidáta na možnost akumulace elektrické energie z obnovitelných zdrojů.
Její ojedinělost spočívá především v neomezených počtech cyklů nabití a vybití,
tudíž nedochází ke znehodnocování elektrolytu. Obvykle udávaná životnost u baterií
se pohybuje v řádech stovek až tisíců cyklů, kdy následně dochází k nevratnému
poškození elektrod a je nutná opětovná výměna baterie. U redoxových baterií
obecně tato výměna odpadá.
Z konstrukčního hlediska se jedná o průtokovou baterii, kde klíčovým problémem je
těsnost ucpávek čerpadel použitých při čerpání elektrolytů. Iontoměničová
membrána, která je jediným oddělujícím faktorem mezi dvěma elektrolyty, má
životnost převyšující 15.000 cyklů. Tento aspekt značí velkou výhodnost baterie pro
nasazení do celoročního provozu s nízkou mírou nutných odstávek pro údržbu
systému.
Děj, který se uskutečňuje při nabíjení je popsán rovnicí:
V3+ + e- →V2+
99
V4+ →V5+ + eNaopak rovnice při vybíjení je:
V2+→ V3+ + eV5+ + e-→ V4+
Při nabíjení dochází k iontové výměně mezi dvěma elektrolyty, proto je na oddělení
dvou elektrolytů nutná iontovo-propustná polymerní membrána.
Akumulační kapacita je dána množstvím elektrolytu v zásobnících, přičemž prakticky
dosažitelná objemová energetická hustota elektrolytu úplného nabíjecího (vybíjecího)
cyklu je uváděna v rozsahu (15 až 25) kWh.m -3 (ideálně dosažitelná hodnota činí (28
až 43) kWh.m-3). Měrná hmotnost VRB článku dosahuje 6,5 až 10 kg.kW -1 u větších
zařízení, u malých výkonů výrobce uvádí max. 12,5 kg.kW -1.Měrná hustota
elektrolytu je přibližně 1,4, hmotnost elektrolytu představuje přibližně 90% hmotnosti
celého zařízení.
V porovnání s klasickými akumulátory má elektrolyt v nabitém stavu při cirkulaci ve
VRB článku jen nepatrné samovybíjení. Pokud je nabitý elektrolyt uskladněn mimo
článek, zůstává nabitý prakticky po neomezenou dobu.
Prostorová náročnost instalace souvisí především s akumulační kapacitou, přitom
oddělené skladování elektrolytu od vlastní VRB, umožňuje snadné přizpůsobení
instalace prostorovým podmínkám.
Jedná se o stavebnicový celek se základním modulem VRB 5 kW (v závislosti na
výrobci). Pro nejčastější akumulační kapacitu (doba cca 8 h) se uvádí, že 85 až 90%
zastavěné plochy zabírají zásobníky elektrolytu, na vlastní články VRB a řídicí a
kontrolní elektronika zbývajících (15 až 10) %.
Je zjevné, že princip článku VRB je blízký funkci palivových článků, u kterých
dochází k elektrochemické oxidaci paliva přiváděného do jedné z komor článku, do
druhé komory se pak kontinuálně přivádí oxidant. Zásadní výhodou článku VRB je
jeho reverzibilita, tj. v tomtéž elektrochemickém měniči může probíhat jak nabíjení,
tak vybíjení podobně jako v klasických typech akumulátorů. Elektrické parametry
článku VRB jsou rovněž blízké akumulátorovým nebo palivovým článkům. Rovno
vážné napětí plně nabitého článku VRB při provozní teplotě 25°C je VoC = 1,35 V.
Podle stupně nabití se napětí změnou složení obou elektrolytů postupně mění, až u
zcela vybitého článku klesne na VoD = 1,0 V.
Přechod z režimu nabíjení na vybíjení probíhá prakticky okamžitě (v časech řádu ms)
v závislosti na polaritě rozdílu okamžitého rovnovážného napětí a napětí připojeného
vnějšího elektrického obvodu.
Protože VRB zařízení je určeno především k dlouhodobé akumulaci elektrické
energie, jsou pořizovací a provozní náklady uváděny v €/kWh. U zařízení řádu MWh
se pořizovací náklady pohybují mezi 500 – 700 €/kWh, u 100 MWh systému činí
okolo 450 €/kWh. Rozšíření akumulační kapacity (elektrolytu) u velkých zařízení
100
přijde na cca 250 €/kWh. Provozní náklady se omezují jen na pravidelné roční
kontroly stavu zařízení, provoz je automatický a programovatelný v systému řízení a
kontroly. Při kontinuálním provozu je nutná výměna jediných pohyblivých částí –
oběhových čerpadel elektrolytu po cca 5 až 7 letech. Náklady na údržbu a provoz
jsou tak odhadovány na cca 0,008 €/kWh.
Svými provozními parametry, zejména bezprostředním přechodem z režimu nabíjení
na vybíjení jsou VRB akumulační jednotky optimální k vyrovnávání krátkodobých a
střednědobých fluktuací výkonu větrných a fotovoltaických elektráren způsobených
obtížně predikovatelným vývojem místních meteorologických podmínek. Tím se
významně zvýší kvalita elektrické energie dodávané z tohoto typu zdrojů do
elektrizační soustavy.
Vzhledem k minimálním provozním nákladům a zanedbatelnému samovybíjení v
klidu lze zařízení využívat jako záložní zdroj s extrémně rychlým najetím na plný
výkon pro provozy vyžadující plné zabezpečení napájení elektrickou energií (letiště,
nemocnice apod.).
Velkými VRB zařízeními je možno realizovat prakticky bez omezení nové akumulační
kapacity elektrizační soustavy o výkonu řádu až 100 MW, případně lze využívat i
distribuované VRB jednotky v držení drobných investorů prostřednictvím dálkového
řízení jako významnou vedlejší systémovou službu pro operativní řízení ES nebo k
nouzovému napájení při velkých poruchách v rozvodné síti.
Uskladnění pomocí halogenu Br – ZnBr
Zinko-bromidová baterie obsahuje zinkovou negativní elektrodu a brómovou pozitivní
elektrodu od sebe navzájem oddělených mikropropustnou membránou. Roztok zinku
a soubor brómové sloučeniny cirkulují ve dvou oddílech. Tato baterie je založena na
poněkud odlišném způsobu než PSB a VRB. V ZnBr slouží elektrody jako substrát
pro reakci a jejich kapacita může být zmenšena, jestliže baterie není kompletně a
regulérně vybita.
Během nabíjení je zinek elektricky pokovený na anodu a bróm je vázán na katodu.
Reakce je popsána následující rovnicí:
Zn2+ (aq) + 2e-→Zn(s)
2Br- (aq) →Br2(aq)+2eZn2+ (aq) + 2Br-→Zn(s)+Br2(aq)
Během vybíjení je reakce opačná.
Polysulfidová Brómová baterie
V tomto typu průtokové baterie jsou roztoky bromidu sodného (NaBr), sodíku (Na) a
polysulfidu (Sn2-) použity jako elektrolytu. Kladné ionty sodíku přecházejí membránou
během nabíjení nebo vybíjení. Jakmile bróm a síra jsou prvky, emitují a přijímají
elektrony. Proto je tento systém nazýván spíše jako Br/S.
101
S+ 2e- →2S- (Na2 S4 +2e-+ 2Na+→ 2Na2S2)
Br2+2e-→ 2Br- (3NaBr→NaBr3 +2Na+ +2e- )
Při vybíjení je reakce opačná.
Tato baterie se jeví jako perspektivní pro velké systémy jako mohou být akumulační
centra v distribučních, či přenosových uzlech. Systém byl vyvíjen společností
Regenesys technologies Ltd. Dostupné informace hovoří o aplikaci o výkonu až
12MW a kapacitě 120 MWh.
VRB
Jmenovitý výkon [MW]
<3
Jmenovitá kapacita [MWh] 0,005 - 5
Bromid Zinku PSB – Br/S
<1
<15
0,01 - 5
0-120
Energetická hustota [Wh/l]
16-33
60-90
20-30
Životnost [roky]
5-10
5-10
15
Počet cyklů
>12.000
>2.000
--
Tab. 4.2. Porovnání jednotlivých druhů průtokových baterií

Olověné baterie
Olověné baterie mají veliké postavení na našem trhu a napříč zeměmi. Slouží pro
mnoho aplikací i zároveň pro energetickou akumulaci.
Tyto baterie zaujímají celosvětově více než 45% vyráběných baterií.
Olověný akumulátor se skládá z nádoby a ze dvou elektrod odlitých z čistého olova.
Dále z vodného roztoku kyseliny sírové o hustotě 1,2 až 1,3 (podle druhu baterií).
Kladné elektrody mají tvar mříží, které se plní pastou nebo jsou žebrované.
Záporné elektrody jsou také mřížkované a pastované. Jedna deska je vyplněna
oxidem olovičitým, druhá houbovým olovem. Místo dvou desek se většinou používá
více desek, které nejsou vzdáleny daleko od sebe. Jsou řazeny střídavě, desky
stejného druhu jsou spojeny. Deska s oxidem olovičitým je hnědá, deska
s houbovitým olovem je šedá.
Na negativní elektrodě probíhá tato reakce:
⇔
⇔
Na pozitivní elektrodě:
⇔
102
⇔
Vznikající ionty Pb2+ se slučují s ionty kyseliny sírové na síran olovnatý Pb-SO4, který
je nerozpustný a zaujímá proto místo PbO2.
Celková reakce:
⇔
Jak je ukázano, základní elektrodový proces na pozitivní a negativní elektrodě
vyžadují slučovací a vylučovácí mechanismus, nikoliv pevnou fázi iontových
transportů. Nabíjecí - vybíjecí cykly jsou známé jako dvojité sulfatující reakce.
Při vybíjení klesá koncentrace kyseliny sírové, protože se tvoří voda. Při nabíjení
koncentrace opět stoupá. Nabití akumulátoru se dá tedy kontrolovat hustotou
kyseliny. Jestliže nabíjení pokračuje i po nabití (veškerý síran je spotřebovaný),
dochází na olověné elektrodě k tvorbě vodíku. Na desce s oxidem vzniká kyslík a
baterie „vře“. K tomu je nutné zvýšené napětí svorkové napětí, což se dá také
kontrolovat.
Jestliže přebíjení trvá delší dobu (vyšší proud), nestačí se difusí doplňovat kyselina
sírová kolem kladných desek, potom při vybíjení klesá napětí rychleji. Toto všechno
jsou ztráty, se kterými musíme počítat.
Nominální napětí článků je 2 V, napětí je změřeno naprázdno, tedy při otevřeném
obvodu.
Maximální napětí nabitého článku může být až 2,125 V. Vybitý článek má hodnotu
1,75 V na článek, ale při hlubokém vybití může sahat až k hodnotě 1,0 V a to
zejména při nízkých teplotách.
Hlavní nevýhodou těchto baterií je poměrně nízká hustota energie, dlouhá doba
nabíjení, veliká hmotnost (což pro stabilní zdroje, nebo pro zdroje vyrovnávací
nevadí), která je tvořena především deskami, elektrolytem, konektory atd. Použitím
uhlíkových vláken v kladných elektrodách se snížila hmotnost baterií a částečně se
zvýšil výkon olověných článků.
Olověné baterie byly oblíbenou volbou pro trakční baterie, tak i pro záložní systémy s
jednotkovými výkony až 1,5 MW a s počtem cyklů až 2000 (u nejmodernějších
baterií).
Nejnovější typy jsou většinou bezúdržbové. tzn., že není nutné dolévat vodu. V
normálním cyklu je při nabíjení na jedné elektrodě vylučován kyslík a na druhé vodík
se kterým rekombinuje zpět na vodu. Dále mají ochranu proti vznikajícím plynům při
přebíjení (tzv. baterie ventilové nebo baterie řízené ventilem, jenž brání případné
nadlimitní tvorbě plynů jejich odpouštěním).
103
a)
b)
Obr. 4.9. Nabíjení a vybíjení olověných akumulátorů. Vybíjecí cyklus (a), nabíjecí
cyklus (b).
Dalším pokrokem je gelový elektrolyt. Jedná se o směs kyseliny sírové s malými
částmi skelného prachu. Tato směs vytvoří vodivý elektrolytický gel, který spojuje
výhody obou systémů.
Vývoj gelů vhodných pro akumulátory (nemusí se jednat pouze o olověné, ale také
lithiové aku, kde gelem může být např. směs litných nebo sodných příměsí) se
nezastavil. Všeobecně jsou gelové akumulátory bezpečnější a pohodlnější pro
obsluhu a údržbu.

Baterie Sodium – Sulfur (NaS)
104
Novým trendem je nasazování Sodium – Sulfur (NaS) baterií.
Jedná se o kombinaci sodíku a síry. Sodík je velice reaktivní a s alkalickými kovy
jako je lithium a draslík tvoří skupinu, která může dosahovat teoreticky velké hustoty
energie na jednotku hmotnosti. Například tato baterie má poměr řádově stovky
Wh.kg-1 (400 Wh.kg-1). Například v porovnání s olověnou baterií, která má asi 30
Wh.kg-1, je tento poměr více než jedenáctinásobný. Účinnost konverze je také
vysoká a pohybuje se v rozmezí 86 – 95% v závislosti na velikosti jednotky.
Princip vyjadřuje následující rovnice:
Tyto akumulátory zabírají menší, přibližně 3x, prostor jak olověné akumulátory. Je
možné je snadno zapojovat do různých kombinací a tím určovat výstupní výkon i
celkovou akumulovanou energii. Vyhovují požadavkům pro špičkové odběry, tedy
možnost jejich vysokého krátkodobého přetížení. Umožňují také velmi rychlé
dobíjení. Nedochází u nich k samovybíjení ani paměťovému efektu. Svým provozem
neznečišťují životní prostředí, nevypouštějí do svého okolí žádné znečišťující látky,
nezpůsobují hluk, ani vibrace. Nicméně tyto akumulátory jsou vyrobeny z levných
materiálů a jsou převážně určeny pro trvalý provoz nabíjení/vybíjení.
Nevýhodou zůstává nemožnost transportu nebo provozu s vibracemi kvůli vnitřním
roztaveným složkám, které musejí během provozu zůstat v klidu.
Jednotlivé články akumulátoru produkují napětí stejné jako olověné akumulátory,
okolo 2 V.
Kompletují se do velkých celozapouzdřených modulů s uvnitř vyčerpaným vzduchem
– vakuem nebo argonem pro nižší tepelné ztráty. Akumulační systémy a akumulační
centrály jsou používané převážně v Japonsku, kde na zhruba 30-ti místech dokážou
dodávat 20 MW po dobu 8 hodin. V USA je jejich používání teprve na začátku.
Vyznačují se také značnou přetížitelností, je zde umožněn špičkový odběr až 6ti
násobku normalizovaného výkonu po dobu minimálně 30 sekund. Elektrická
efektivnost těchto akumulátorů je mezi 80% až 90%. Životnost delší než 15 let z nich
dělá spolu s nízkými náklady na jejich výrobu jednu z nejvhodnějších dnes
používaných řešení pro akumulační systémy.
105
Obr. 4.10. Sodíková baterie
Články jsou usazeny do hermeticky uzavřených obalů, které musejí odolávat
vysokým provozním teplotám a tlaků. Katoda je tvořena roztavenou sírou a anoda
roztaveným sodíkem. Sodík má teplotu tání okolo 80ºC a síra okolo 120ºC, tudíž pro
započatí reakce stačí dosáhnou teploty jen o trochu vyšší než teplota tání síry, ale ve
snaze dosáhnout co největšího výkonu a bezztrátového provozu se teplota elektrod
článku pohybuje mezi 300ºC a 350ºC. Elektrolyt je zde realizován jako pevná
struktura z keramiky s přídavkem hliníku a oxidu hlinitého.
Během vybíjení se ze sodíkové anody uvolní do vnější proudové smyčky elektrony,
reakcí na to v roztavené anodě vzniká sodíkový iont Na+ , který se dostane skrz
pevný elektrolyt až do síry, kde se díky němu vytvoří kladný náboj – kladná
elektroda, která po uzavření proudové smyčky přijme elektron. Tento děj je vratný,
tudíž tím samým způsobem, ale opačně dochází k nabíjení.

Lithiové baterie
Lithium je světlý a velmi reaktivní kov. Tím se stává velmi atraktivní pro energetickou
akumulaci. Stejně jako předchozí druh baterií založených na sodíku. Anoda
konvenčních článků je vyrobena z uhlíku, katoda z oxidu kovů a elektrolyt je lithiová
sůl v organických rozpouštědlech. Níže uvedená rovnice vyjadřuje elektrochemickou
reakci:
⇔
106
Obr. 4.11. Závislost ceny a poptávky
Další vývoj je zaměřen na technologie LiFePo, Li-air a další technologie, které budou
levnější, i když za cenu menší kapacity. S nasazením lithiových baterií se nicméně
uvažuje pouze v bezvýpadkových záložních zařízeních – Uninterruptible Power
Supply (UPS).
Co se týče akumulátorů a z nich sestavených akumulačních systému na bázi lithia,
přicházejí v úvahu dnes již vcelku běžné dvě varianty Li-ion a Li-pol. Hlavní předností
je díky velmi lehkému lithiu velmi malá hmotnost na instalovanou kWh.
Zůstává také bezúdržbový provoz a je u nich možné uložit větší množství energie na
jednotku obsahu oproti předchozím typům. Problém samovybíjení je takřka
odstraněn a samotné články je možné skoro úplně vybít bez ztráty. Praktická
realizace akumulačních systémů následné kapacity nebo snížení životnosti. Je
umožněno rychlé nabíjení i vybíjení, tudíž jsou vhodné pro dynamické akumulační
systémy.
I se svojí dlouhou životností jsou srovnatelné s předchozími typy. Z pohledu zatížení
životního prostředí jsou, jak výrobou, tak následnou recyklací, daleko více
ohleduplnější. Bohužel i přes stále nové a efektivnější technologie výroby je
pořizovací cena těchto akumulátorů a akumulačních systémů z nich sestavených
neúměrně vysoká, tudíž jejich použití je v dnešní době takřka vyloučené.
Pravděpodobně se pořizovací ceny v následujících letech značně sníží a tyto
107
akumulátory bude možné použít jak centralizovaně, takdecentralizovaně přímo
v jednotlivých gondolách větrných elektráren díky jejich velmi nízké hmotnosti.
U Li-ion a Li-pol článků je řešení spojování za účelem zvýšení výstupního napětí a
výkonu obdobné s tím rozdílem, že napětí jednotlivých článků je u Li-ion akumulátorů
okolo 3 V a u Li-pol se pohybuje od 1,8 do 3,3 V podle použití elektrolytu a katody.
Tyto akumulátory mají vysokou životnost, až 3000 nabíjecích cyklů, se skoro
bezztrátovou efektivitou nabíjení.
Vnitřní struktura u Li-ion článků je podobná NiCd článkům. Rozdíl je v použití
elektrod, katoda je Praktická realizace akumulačních systémů je tvořena oxidem
lithia a jiného kovu, většinou LiNiO2 , LiCoO2 nebo LiMoO2 . Vhodnost použití
jednotlivých materiálů pro elektrody katod jsou současně ve výzkumu. Anoda je
tvořena porézním uhlíkem a elektrolyt je vyroben z lithiových solí například LiPF6 ,
rozpuštěných v organických karbonátech Princip činnosti nabíjení je založen na
vytvoření iontu z atomu lithia na katodě, který nadále putuje přes elektrolyt a
separátor až k uhlíkové anodě, kde se spojuje s externím elektronem a podílí se na
uzavřením proudové smyčky nabíjecího okruhu. Proces vybíjení je založen na
stejném, ale opačném principu.

NiCd akumulátory
Nabíjecí cyklus u NiCd článků spočívá ve vytvoření vrstvy oxidu nikelnatého na
niklové katodě a zvýšení koncentrace odvodněním elektrolytu, většinou z hydroxidu
draselného. Proces vybíjení je charakteristické řidnutím hydroxidového elektrolytu a
usazováním niklu na niklové katodě. U těchto akumulátorů je třeba hlídat přebíjení,
protože se při chemických reakcích tohoto procesu vylučuje hodně vody do
elektrolytu a následně dochází buď k poškození pohlcovače vlhkosti nebo rychlému
snižování životnosti.
Příkladem použití může být oblastní akumulační stanice ve Fairbanks, Alaska, USA,
kde je instalovaný výkon 40 MW v NiCd článcích. Konstrukce průmyslově
vyráběných NiCd článků se stejně jako u olověných článků provádí jak do
plastových, tak do kovových, hermeticky uzavřených nádob. Katoda je tvořena
niklovou elektrodou a anoda kadmiovou, u prvních akumulátorů železnou elektrodou.
Dále je akumulátor tvořen vrstvou elektrolytu se separátorem a vratným
pohlcovačem vlhkosti. Elektrolyt je ve většině akumulátorů tvořen jednoduchým
hydroxidem alkalického prvku, většinou hydroxidem draselným KOH nebo
hydroxidem sodným NaOH.
Chemická akumulace

Vodík
Palivový článek založený na vodíko-kyslíkové konverzi Na úvod je důležité znovu
upozornit, že vodík není palivem, nýbrž pouze nosičem energie. O tomto systému se
velice často hovoří v souvislosti s budoucí dopravou, ale i energetikou. Účinnost
108
zpětné konverze na elektrickou energii je ale velice nízká – okolo 30%. Záleží na
použití elektrolyzérů a palivových článků.
V dnešní době je použití vodíkového hospodářství problematické. Níže následuje
krátký výčet akumulačních vlastností a problémů, které s tím souvisí Soustava může
mít tři základní aplikace:
a) Produkce medicinálních plynů
b) Produkce vodíku a kyslíku, jejich akumulaci a následné energetické využití
c) Využití v chemickém a potravinářském průmyslu
Vodík a kyslík jako chemické prvky
Vodík je bezbarvý plyn bez zápachu, hustota je 0, 0899 g/l (lehčí než vzduch),
teplota varu je 20,37 K. Výbušný se vzduchem. Kyslík je bezbarvý plyn bez zápachu.
Hustota 1,429 g/l (těžší než vzduch), teplota varu je 90,15 K. Ve spojení s
organickými materiály může vyvolat hoření nebo výbuch.
Výroba vodíku
V předešlých úvahách jsme předpokládali výrobu vodíku pomocí elektrolýzy.
Elektrolýza je proces, ve kterém se vodík uvolňuje na katodě a na kyslík na anodě.
Tato reakce je náročná čistotu vody a elektrickou energii. Pro zvýšení vodivosti vody
se používá roztoku nejčastěji KOH.
Jestliže přesto budeme přemýšlet o aplikaci vodíku jako akumulačního média,
nesmíme opomenout HTR (vysokoteplotní) reaktory (stále ve vývoji). K rozkladu
vody se používá vysoké teploty a pomocí chemicko-technologických prostředků je
dosaženo lepší bilance.
Problémy v akumulaci vodíku
Skladovat vodík ve velkých objemech není dosud stále dostatečně vyřešené. Atomy
vodíku jsou velice lehké i malé a unikají skrze krystalové mřížky různých kovů nebo
jejich slitin.
Principiálně můžeme vodík skladovat ve třech fázích:



v plynné fázi
v kapalné fázi
s pomocí metal-hydridových zásobníků, kdy se plyn naváže na krystalovou
strukturu slitiny.
Výhody systému
Celá soustava obsahuje minimální množství rotujících částí, které mohou být
příčinou poruch a problémů. Palivové články jsou velice závislé na čistotě
vstupujících médií. Na druhou stranu je ekologicky přívětivý – bezemisní.
Neprodukuje také hluk s výjimkou kompresorů apod. Na níže uvedených obrázcích
můžeme vidět základní systém akumulace elektrické energie prostřednictvím vodíku.
109
Obr. 4.12. Schéma kumulace prostřednictvím vodíku
Obr. 4.13. Schéma akumulace a spolupráce OZE s elektrickou sít

Biopaliva
Biopalivem jsou chápány cíleně pěstované rostliny, které mohou být následně využity
energeticky. Pro potřebný vývoj rostlinstva může být udržováno vhodné klima ve
sklenících, kde se rychle může flóra rozvíjet. Následné využití (většinou termické
zpracování) je chápáno jako jistý způsob zachování energie. Nutnou podmínkou je
zabezpečit fotosyntézu.
Syntetické (syntézní) kapaliny a plyny Syntézním plynům je přikládán velký důraz. Je
známo, že pomocí elektrické energie lze z CO2 a vody udělat metanol. Další výroba
syntetických plynů probíhá především parním reformingem z uhlí.
Syntézní plyny a jejich problematika vysoce překračuje možnosti této knihy. Jedná se
o oblast velice zajímavou a v budoucnu jistě využitelnou.
Tepelná akumulace
110

Metoda Ruths
Metoda Ruths je založena na termální akumulaci elektrické energie prostřednictvím
teplé vody. Ta je posléze přes regenerační oběh kondenzované vody z turbíny zpět
využita. Tento systém se vyznačuje vysokou mírou efektivity a akumulační kapacity.
Obr. 4.14. Principiální schéma
Látky se změnou skupenství
Látky se změnou skupenství jsou vynikající pro akumulaci tepelné energie pouze v
rozsahu jich vlastních teplot tání. Pokud bychom potřebovali akumulační schopnost
vyšší než je jejich bod tání, vyplatí se akumulace do současných materiálů.
Velice dobře se uplatňují různé parafíny a vosky. Jejich teploty tání jsou blízké
teplotě varu vody.
Eutektické slitiny jsou slitiny materiálů, které při tuhnutí vytvářejí krystaly. Teplota tání
dvou kovů by měla být pokud možno co nejbližší. Důležitou vlastností je tzv.
eutektická teplota, což je teplota nižší než teplota tání každé ze složek. Při tuhnutí se
latentní teplo odevzdává, takže teplota zůstává po nějaký čas stejná. Až poté začne
teplota slitiny klesat.
Tyto látky ale z pohledu energetiky (zvláště elektroenergetiky) nemají příliš velký
význam.
Přírodní látky
Přírodní látky pro uchovávání tepelné energie jsou například, kámen, cihla apod.
Samozřejmostí je voda. Z umělých látek můžeme jmenovat například beton.
Elektrická akumulace
Z hlediska akumulace je elektrická akumulace nejlepším řešením. Současné
možnosti jsou však omezené.
111

Superconducting magnetic energy storage (SMES)
Superconducting magnetic energy storage je systém, který ukládá energii do
magnetického pole. Jedná se o relativně nový systém, který je stále ve výzkumu a
vývoji. Malé demonstrační jednotky existují, ale problematická se jeví akumulace
vyššího množství energie (nad 1MWh).
Superkapacitory
Superkondenzátory představují nový velkoobjemový systém akumulace energie.
Kondenzátory mají velkou hustotu energie řádově 10 Wh/kg, delší životnost než
konvenční baterie a také vyšší účinnost až 95%. Další předností jsou zejména
vysoké krátkodobé dodávky výkonu, kdy je možné dosáhnout proudu až 4500 A.
V anglické terminologii mají zkratku – SCESS – Super Capacitor Energy Storage
System. Obstál při několika milionech cyklů nabití-vybití. Doba nabíjení vybíjení je
extrémně krátká a účinnost lepší než 95 %.
Rovnice jejich energetické bilance je:
kde
U............napětí (V)
C............kapacita (F)
Základní myšlenkou superakapacitoru je a byl vývoj optimálních zásobníků s
kapacitou baterií, ale s operativními vlastnostmi kondenzátorů. Kondenzátory a to jak
super nebo ultra mohou být aplikovány na zařízení, kde se předpokládá mnohem
více nabíjecích a vybíjecích cyklů než by umožňovali baterie(více než 100.000 cyklů
je možných). Energetická hustota je okolo 1-10 Wh.kg-1 a specifická hustota energie
je 1,6 kWh.kg-1 a je vyšší než u baterií (s výjimkou Li-ionových baterií)
Superkondenzátor se skládá z kladné a záporné elektrody z hliníkové fólie, dvou
vrstev aktivního uhlíku a mezi nimi se nachází separátor. V nenabitém stavu jsou
částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině,
tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení
napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a
naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří
Základní myšlenkou superakapacitoru je a byl vývoj optimálních zásobníků s
kapacitou baterií, ale s operativními vlastnostmi kondenzátorů. Kondenzátory a to jak
super nebo ultra mohou být aplikovány na zařízení, kde se předpokládá mnohem
více nabíjecích a vybíjecích cyklů než by umožňovali baterie (více než 100.000 cyklů
je možných). Energetická hustota je okolo 1-10 Wh.kg-1 a specifická hustota energie
je 1,6 kWh.kg-1 a je vyšší než u baterií (s výjimkou Li-ionových baterií).
112
Superkondenzátor se skládá z kladné a záporné elektrody z hliníkové fólie, dvou
vrstev aktivního uhlíku a mezi nimi se nachází separátor. V nenabitém stavu jsou
částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině,
tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení
napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a
naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří
dvouvrstvá se zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je
omezeno hodnotou disociačního napětí. Průrazné napětí elektrické dvouvrstvy je
velmi nízké a tak typické provozní napětí superkondenzátorové buňky nepřesahuje
2,3 V.
Mezi jejich největší výhody patří



Nízký vnitřní odpor a tím tedy vysoká účinnost (95% a více) a velmi malé
ztráty
Vysoká efektivita při nabíjení
Možnost velmi častého nabíjení a vybíjení (mnoho cyklů)
Nevýhody:



Množství energie uložené na jednotku váhy je nižší než u elektrochemických
článků (3-5 Wh.kg-1 pro superkondenzátory v porovnání s 30-40 Wh.kg-1 pro
klasické baterie).
Napětí se mění v závislosti na množství uložené energie (podobně jako u
kondenzátorů).
Mají nejvyšší dielektrickou absorpci ze všech typů
I přes nevýhody lze říci, že superkondenzátory mají budoucnost. Vyplňují totiž místo
mezi klasickými kondenzátory a nabíjecími akumulátory. Mají malou kapacitu, ale
naopak akumulátory mají pomalé nabíjení, limitované zatížení a krátkou životnost. A
proto se budou superkondenzátory využívat nejpravděpodobněji ke krátkodobému
zálohovaní zdrojů při krátkých výpadků napájení, vyrovnávání a akumulaci el.
energie pro malé větrné a solární elektrárny, hybridní automobily a napájení nízko
příkonové kapesní elektroniky.
Nejnovější použití superkondenzátorů je ve startovacích bateriích lokomotiv a v
moderních hybridních vozidlech.
4.3. Podmínky pro instalaci akumulačních systémů v distribučních
soustavách
Pro vlastní přínos akumulačních článků je nutná implementace dle pravidel pro
provozování distribučních soustav. Každý článek má své unikátní vlastnosti, které je
vhodné využít na maximální možnou míru. Maximální využití v sobě zahrnuje
následující aspekty:


kapacita článku,
maximální nabíjecí proud,
113



maximální vybíjecí proud,
wattovu účinnost,
rychlost přechodu mezi nabíjením a vybíjením.
Na základě výše uvedených vlastností konstatujeme, že napětí není rozhodujícím
parametrem akumulace.
Pro malé akumulační systémy se jeví jako velmi vhodné použití v distribučních nebo i
přenosových soustavách.
Nasazení akumulace k potlačení ztrát
V případech, kdy je spotřebou požadována vyšší hodnota zatížení, dochází k
přetěžování transformátorů, vedení a ostatních zařízení zapojených v distribuční
soustavě. Vhodnou volbou akumulačních jednotek je možné eliminovat výkyvy a
zajistit kontinuální dodávku elektřiny.
Stejně je to i v opačném režimu, kdy řada menších či větších zdrojů OZE jsou
zapojeny na koncích distribučních linek a opět dochází k náhodnému přetěžování
stávajících linek.
Výstavba nových vedení je opodstatněná a to s ohledem na neustále se zvyšující
příkon u jednotlivých koncových odběratelů, nebo-li z důvodu zvyšujícího se odběru
elektrické energie.
Nicméně, jejich výstavba není možná z krátkodobého hlediska 2-3 let. A proto
přicházejí na řadu samotní spotřebitelé a jejich zapojení do distribuční sítě s malými
akumulačními soustavami.
Minimální předpoklady, ze kterých musíme vycházet při návrhu akumulačních
soustav, jsou:




spolehlivost,
kvalita elektrické energie,
rychlost náběhu,
změna režimu,
Další charakteristiky, které by měl systém obsáhnout jsou:










celková účinnost,
cena a provozní náklady,
náhradní nebo krátkodobý zdroj,
životnost při nabíjecích/vybíjecích cyklech,
velikost samovybíjení,
energetická a výkonová hustota,
rozměry a objemy systému,
modularita,
přepravitelnost,
jednoduchá montáž (popřípadě systém „Plug and Play“).
114

Spolehlivost
Spolehlivost je velice důležitá vlastnost pro chování akumulačních zařízení (v
anglické literatuře se těmto zařízením říká MES – Modular Electricity Storage ) v
distribuční a přenosové soustavě.
Při návrhu systému je nutné znát počet cyklů a časovému typu akumulace, budeme
vycházet z premisy:
kde
15 000 cyklů odpovídá životnosti VRB akumulátoru,
365 dnů odpovídá režimu denní akumulace.
Pokud použijeme technologie s menším počtem cyklů, samozřejmě se zkracuje doba
životnosti celku.

Kvalita elektrické energie
Kvalita a charakteristika dodávky elektrické energie ze zařízení podobných MES je
velmi důležitá.
Zejména se klade důraz na PQ charakter dodávky. Typ měničů (protože se většinou
jedná o akumulaci se stejnosměrným vstupem – DC) je nutné volit s ohledem na
kvalitu výstupní sinusoidy a také na schopnost regulovat zmíněné PQ režimy.
Celkově by tedy měly splňovat následující:





kvalita sinusoidy,
napěťovou stabilitu,
účiník,
frekvenční stabilitu,
harmonické.
U harmonické se předpokládá (dle standardu IEEE 519-1992), že maximální celkové
harmonické zkreslení (THD) nesmí být větší než 5 %. Frekvenční stabilita nesmí
překročit 1 %. Napěťová předpokládá kvalitní řízení na úrovni PQ a tím pádem účiník
musí odpovídat těmto předpokladům.

Rychlost reakce
Rychlost náběhu, respektive rychlost reakce na náhlou změnu výkonu. Jedná se
zejména o rychlou dodávku potřebného výkonu v distribučních systémech. Spotřeba
reaguje velmi pružně, naopak výroba tak pružná není (složitost regulace soustavy).
Záleží na typu soustavy, na rychlosti změn v ní. Proto může být kritérium rychlosti
marginální.

Změna režimu
115
Jedno z nejdůležitějších kritérií pro MES a akumulaci všeobecně. Jedná se o rychlost
změny nabíjení a vybíjení. V distribučních soustavách je ale toto kritérium umocněno
změnou odběru – dodávky výkonu ve velmi rychlém sledu. V autonomních
systémech není až tak extrémně důležitá.
Vlastnost zařízení je závislá hlavně na dvou parametrech:



na kapacitě – SOC,
na chemicko-fyzikálních vlastnostech.
Ostatní vlastnosti
Mezi ostatní vlastnosti můžeme zařadit takové, které nejsou nezbytně nutné jako
předpoklad pro úspěšné začlenění akumulačního systému do soustavy.
Celková účinnost
Celková účinnost zařízení je důležitá v mnoha ohledech, avšak tento parametr není
majoritní u všech typů aplikací. Můžeme jmenovat například jednotky UPS
(Uninterruptible power source). U tohoto typu jednotky je účinnost pouze okrajovým
parametrem, protože primárním účelem je dodávka výkonu v době výpadku hlavního
napájení a ta nastává například pár hodin v roce. Přesto musíme účinnost zohlednit,
vyrábíme-li energii z primárních zdrojů s nízkou účinností (většinou
z neobnovitelných zdrojů).
Cena a provozní náklady
Cena instalace a provozní náklady představují výraznou rozhodovací funkci pro
umístění akumulace.
Zejména pro malé jednotky je cena instalace hlavním kritériem. U instalací vyšších
výkonů
mohou být rozhodující jiné vlastnosti než právě. investiční náklady. Jinak je tomu u
provozních nákladů. Pro malé jednotky nepředstavují výraznější rozhodovací vliv, pro
větší jsou důležitější než cena instalace. Náklady všeobecně mohou být fixní a
variabilní:
Fixní – zahrnuje veškeré každoroční opakující se náklady, násobící se s množstvím
skladovacích provozů. Příkladem mohou být čtvrtletní nebo roční náklady spojené s
kontrolou a diagnostikou zařízení. Nebo náklady spojené s ventilačními a
klimatizačními jednotkami.
Variabilní – jsou úměrné množství skladovacích provozů. Variabilní náklady jsou
nejvýznamnější zejména s ohledem na provozní součásti a jejich obměnu (elektrolyt,
články, elektrody aj.). Závisejí na okolnostech – tyto náklady mohou být celkově
velmi signifikantní.
116
Náhradní nebo krátkodobý zdroj
V ojedinělých případech je nutná rychlá reakce akumulátoru mimo standardní
provozní výkon.
Například Na/S akumulátor je schopen krátkodobě téměř 2 krát zvýšit nominální
výstupní výkon vůči normálu. VRB umožňuje pouze asi 1,1 násobek.
Životnost při nabíjecích/vybíjecích cyklech
Všechna energetická akumulační média degradují svým provozováním. Tato míra
degradace závisí na typu technologie, míře jejího využívání, počtech cyklů, údržbě a
míře vybíjení, aj. Časté vybíjení a hloubka vybití patří mezi nejčastější příčiny
omezení životnosti. Pro většinu systémů se proto ujednotila norma, která definuje
životnost (počet cyklů) při hloubce vybití 80 % DOD. Některým médiím příliš nevadí
mírné přebíjení, jiným více.
Životnost akumulačního systému je jednou z vlastností, která má vliv na výši
variabilních nákladů.
Velikost samovybíjení
Samovybíjení nebo tzv. „Standby režim“ je u dnešních typů velmi nepříjemnou
vlastností akumulátorů (olověné, Ni-Cd aj.) Naopak některé netrpí vlastními ztrátami,
ale projevuje se u nich „Standby režim“ – například u VRB jsou tyto ztráty poměrně
velké z důvodu použití elektrolytických čerpadel.
Dalším faktorem ovlivňující samovybíjení jsou například teplota, vlhkost aj. Nicméně
pro aplikace v distribučních systémech není tato položka rozhodující.
Energetická a výkonová hustota
Energetická hustota pouze říká, jakou dané zařízení bude mít velikost. Pro velké
aplikace nemá opodstatnění.
Rozměry a objemy systému
Stejně jako u předešlé položky. Umístění musí respektovat velkou stavební plochu a
hmotnost zejména u velkých akumulačních kapacit.
Modularita
Je opodstatněná v případě rozšiřování stávajících systémů. Technologie musí
umožňovat rozšiřitelnost s cílem zvýšit kapacitu nebo výstupní výkon (proud). Tato
položka je také důležitá při plánovaní investic, popřípadě obnovy přenosových a
distribučních sítí.
Snadná přeprava
Pro mnohé projekty je to klíčová položka. Jsme-li schopni rychle přepravit na místo
použití několik akumulátorů, jsme schopni poměrně rychle reagovat na požadavky
odběratelů a tím efektivně řídit toky energií v síti.
117
Jednoduchá montáž (popřípadě systém „Plug and Play“)
Doplňující položka ke dvěma předchozím. Zařízení musí umět komunikovat na běžně
používaných protokolech a linkách (např. USB, MODBUS, RS232). V případě
jednoduché montáže zařízení, lze využít akumulátor také jako záložní zdroj v
současných velkých elektrárnách.

Vliv akumulace na snižování zátěže vedení
Pokud předpokládáme zvyšující se zatížení jednotlivých vedení, je dobré vycházet
z historických údajů. Například Zhang uvádí, že historicky vychází zatížení vedení
podle:
(
)
kde
ra - je roční přírůstek
S - je zdánlivý výkon (VA).
Pro lepší představu se nyní pokusíme definovat jednotlivé požadavky na akumulační
systémy z pohledu provozovatelů distribučních a přenosových soustav. Akumulační
kapacita může jednak vyhlazovat zatížení na vedení, a současně může velmi kladně
ovlivňovat parametry SAIDI (System Average Interruption Duration Index), SAIFI
(System Average Inerruption Frequency Index), CAIDI (Customer Average
Interruption Duration Index) a ASAI (Average Serice Availability Index). SAIDI je
definován jako:
(
)
SAIFI:
(
)
CAIDI:
( )
A ASAI:
( )
Ukazatel ASAI vykazuje podobné parametry SAIFI. V každém případě se jedná o
sledování spolehlivosti dodávky odběratelům. Na základě neplnění výše
dohodnutých dodávek mohou přijít požadavky na finanční kompenzace ze strany
odběratelů. Po začlenění akumulačních prostředků došlo dle empirických zjištění k
118
poklesu všech těchto ukazatelů Poklesy těchto ukazatelů mají pozitivní vliv na
celkovou spolehlivost dodávky elektrické energie.
Následující tabulka poskytuje přehled aplikací, které jsou provozně kompatibilní tzn.,
že nejsou k dispozici žádné provozní konflikty mezi aplikacemi. Kombinace aplikací
jsou technicky možné pouze v tom případě, že stejný zásobník můžeme využit pro
všechny ostatní aplikace. Dalším pozitivem je, že mají také synergický efekt a
vzájemně se doplňují. Předpokladem je celková výhodnost soustavy, tedy, že
náklady jsou nižší než výnosy.
119
Tab. 4.3. Aplikační synergická matice
120
Vysvětlivky
1
- Vyžaduje akumulátor, který je umístěn v případě potřeby.
X
- Poněkud velmi specifické okolnosti, zejména pokud jde o načasování provozu
anebo umístění.
* - Většina akumulátorů nemůže poskytovat energii pro obě aplikace současně.
† - Vybíjení je velmi shodné pro obě aplikace.
⋄ - Pro lokalizovanou akumulaci je energie pro nabíjení a) z místních obnovitelných
zdrojů energie anebo b) zakoupená mimo lokální zdroje OZE prostřednictvím sítě.
‡ - Vyžaduje zužitkování přesně na místě skladování.
Poznámky k tabulce:
a) Pro oblast regulace: Předpokladem je, že akumulační kapacita není připojena
na distribuční
b) úrovni.
c) Pro napěťovou podporu: Předpokladem je, a) kapacita je distribuována a b)
akumulační systém obsahuje jalovou složku výkonu.
d) Pro rezervovanou aku. kapacitu: Musíme mít aku. energii minimálně pro jednu
hodinu plného vybíjení (abychom mohli nabízet kapacitu alespoň hodinu
dopředu – „hour-ahead“).
e) Pro P&D plánovanou zátěž: Pro zátěž (ranní nebo odpolední špička)
zahrnující nabíjení - musí platit převažující cena energie.
f) Pro P&D Roční hodiny provozu vybíjecího rozsahu je poněkud limitující. Proto
je akumulační kapacita dostupná pro ostatní aplikace během roku.
g) Doba využití: Plánuje se využívání minimálně na úrovni 5-ti hodin denně/7.
h) Transientní podpora je předpokládána, že je z větší části nebo zcela
nekompatibilní s ostatními technologiemi.
4.4. Návrh malého akumulačního systému
Většina FVE se v dnešní době uplatňuje pouze jako malý zdroj energie pro využití na
rodinných domech. Pro autonomní systémy, ke kterým můžeme rodinné domy,
chalupy a jiná podobná sídla považovat, je důležité správně nakonfigurovat zdroj,
akumulátor a vedení s ohledem na energetickou potřebu objektu.
Tato činnost je komplikovaná, protože neexistuje typový objekt, který by mohl být
empirickým příkladem návrhu soustavy. V této chvíli se řeší podobné projekty čistě
„náhodně“, kdy akumulátory jsou zhruba navrženy na spotřebu domu. Pokud jejich
kapacita nestačí, jsou připraveny další.
Autonomní objekt
Pro návrh systému lze využít sofistikovanějších metod. Jednu z nich například
popisuje ve svých článcích dr. Markvart. U malých sídel je kombinace FVE a VTE
121
velice častá, proto také jejich oblast působení musí vytvořit pracovní bod, který se
mění na základě aktuálních podmínek – není pevně dán.
Vždy se jedná o přesný výčet spotřebičů, které jsou zapojeny v autonomním
systému. Samozřejmě se musí počítat s koeficientem využití, který je rozdílný pro
jednotlivé spotřebiče. Dále je potřebné se rozhodnout, jakým napětím bude objekt
napájen. Měniče DC/DC nebo DC/AC mají svou vlastní spotřebu a účinnost.
Budeme-li uvažovat, že objekt napájíme pouze z fotovoltaického zdroje, potom
potřebná plocha panelů bude:
(
)
kde
Es - je celková denní spotřeba elektřiny (Wh)
Id - je celkový dopadající výkon na panely (Whm2).
Jestliže budeme uvažovat dodatečné ztráty (někdy nazývané systémové), potom
musíme potřebnou plochu vynásobit korelačním faktorem CA(> 1). Vztah přejde na:
(
)
Při návrhu instalací by se měla uvažovat historická spotřeba objektu, nejlépe v
průběhu celého roku. Následně můžeme vycházet z pohledu, který definuje
proměnou nc jako počet dní.
Nastane-li situace, že denní záření je menší než aktuální spotřeba Es respektive,
záření Idd je nižší než dlouhodobý průměr Id, potom se energetická bilance změní na:
(
)
Zohledníme-li spotřebu energie objektem Es je nutné použít zálohovací zařízení,
které pokryje dodávku energie i mimo maximální podmínky – akumulátor. Jeho
kapacita (v jednotkách Wh) bude:
(
)
Použitím koeficientu CA a definováním počtu dnů autonomie CS = Q/Es, obdržíme tvar:
Výše uvedená rovnice je důležitá pro pochopení různých klimatických jevů. Graficky
lze problematiku popsat následovně:
122
Obr. 4.15. Konfigurační rovina daná výše uvedenou rovnicí
Obr. 4.16. Konfigurační rovina daná rozdílnými klimatickými podmínkami
Po složení několika místních klimatických podmínek vyjde celková dimenzační
křivka. Grafický návrh také může pomoci návrhu hybridního systému založeného na
větrné a fotovoltaické elektrárně. Použitím obou systémů docílíme vzájemné
kooperace. Z dlouhodobých měření hydrometeorologických ústavů vyplývá, že v
zimním období převládá větrné klima nad energetickým příjmem z FVE. V létě je
tomu naopak. Celkové energetické zisky se tedy vyrovnávají skrze přirozené
podmínky. Odpadá nutnost budování velkého zásobníku energie.
123
Obr. 4.17. Dimenzační křivka pro limitní přechod různých klimatických cyklů
Obr. 4.18. Stejného principu lze použít i pro návrh hybridního systému
4.5. Ekonomika provozu bateriových systémů v energetické síti
V této kapitole je řešena problematika ekonomických ukazatelů, které významnou
měrou přispívají k rozhodování o umístění nebo používání akumulačního systému.
Akumulační prostředky jsou pro investora důležité ze dvou důvodů:


z legislativního,
z ekonomického.
124
Pro ekonomickou část můžeme definovat dva hlavní ukazatele, pro které je vhodný
jakýkoliv akumulační prostředek:


podpůrné služby v energetice,
domácí hybridní systémy.
Podpůrné služby v energetice jsou již delší dobu požadovány jednotlivými regulátory
distribučních i přenosových sítí. Zejména potom možnost ovlivňovat prudké výkyvy
mezi poptávkou a nabídkou elektřiny, která je což je v současnosti aktuální a známý
problém.
Ekonomická bilance systémů tvořených akumulátory velmi závisí na druhu provozu.
V současné době je použití akumulačních systémů v průmyslovém odvětví velmi
omezené, ne-li mizivé.
Společnosti nejsou vázány žádným zákonem, který by je nutil harmonizovat výstupní
nebo vstupní výkon (typickým příkladem jsou válcovny plechů). Akumulační
prostředky ale mohou najít uplatnění i v řízení celé energetické soustavy stejně tak,
jako v současné době velké přečerpávací vodní elektrárny. Výhodou menších
akumulačních systémů je zejména v nezávislosti na geologických podmínkách.
Pro řízení se uplatňuje několik regulačních pásem:
1. primární regulace,
2. sekundární regulace,
3. terciální regulace.
Primární regulace elektroenergetické soustavy je definována jako proporcionální
charakteristika, která je uskutečňována pomocí regulace výkonu turbínu, respektive
otáček a zabezpečuje rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektrické energie.
Regulátor by měl zabezpečovat chod soustavy podle:
( )
kde
S - je statika korektora frekvence.
Sekundární regulace je doplňková k primární regulaci. Zabezpečuje trvalou
udržitelnost salda (pro malé změny Δf → 0), které je naprogramované na regulátoru
příslušné regulační oblasti.
Při větších frekvenčních odchylkách (výpadek primární regulace) zabezpečuje
chybějící výkon a tím vyrovnává frekvenci na požadovanou hodnotu a její meze.
Sekundární regulace musí splňovat následující podmínku (proporciálně-integrační
charakter):
∫
125
(
)
kde
ΔPd - je výstupní hodnota regulátoru [MW]
k - je proporcionální konstanta regulátoru
Tr - je integrační konstanta regulátoru [min]
G - je regulační odchylka (ACE – Area Control Error).
Terciální regulace představuje manuální nebo automatický přesun pracovních bodů
na strojích zúčastněných na sekundární regulaci. Cílem této regulace je především
hospodárně rozdělit výkon sekundární regulace a zaručit dostatečnou rezervu
sekundární regulaci v čase a výkonu. V podstatě se jedná o zapojení dodatečných
zdrojů do sítě, například odpojením nebo připojením nových turbín (plynové, parní),
přerozdělením výkonu zdrojů sekundární regulace, změnou programu salda v
propojené soustavě a jiné.
Ekonomický přínos pro použití zásobníku energie je zejména v reakci na okamžité
požadavky operátora trhu energií (v České republice OTE, a.s.). Operátor bonifikuje
zákazníky, kteří jsou schopni okamžitě odebrat nadbytečnou energii.
Další fází může být sekundární regulace napětí.
Doplňkové služby
Preferované použití
Identifikace oblastní Časová
specifikace DS
odezva
Kontinuální
regulace
Rotační
Primární frekvenční RZPR
kontrola
30 s
Kontinuální
regulace
Rotační
Sekundární
RZSR
výkonová
a
frekvenční regulace
≤15min
Energetická
nerovnováha
Rotační
Následující zatížení
RZTR+/RZTR-
≤30min
Okamžitá
mimořádná
rezerva
Netočivá Provozní rezerva
RZQS
≤15min
RZN>30
>30min
Náhradní rezerva netočivá
Doplňková rezerva
Tab. 4.4. Příklad setu doplňkových služeb a jejich kategorizace
Vysvětlivky k tabulce:
- RZPR – Regulační záloha (PR) – jedná se o točivou výkonovou zálohu, která je
vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu primární regulace f bloku
126
- RZSR – Regulační záloha (SR) – jedná se obecné označení točivé výkonové
zálohy, která je vyčleněna na blocích poskytujících podpůrnou službu sekundární
regulace P bloku.
- RZTR+ – Regulační záloha kladné (TR) – jedná se o (točivou) výkonovou zálohu
„směrem nahoru“, která je vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu
terciární regulace P bloku.
- RZTR- – Regulační záloha záporné (TR) – jedná se o (točivou) výkonovou zálohu
„směrem dolů“, která je vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu terciární
regulace P bloku.
- RZQS (RZQS15) – Rychle startující 15-ti minutová záloha – jedná se o blok, který je
do 15 minut od příkazu Dispečinku ČEPS schopen poskytnout předem sjednaný
výkon.
- RZN>30 – Regulační záloha (netočivá) dosažitelná nad 30 minut (může zahrnovat
více složek).
Vymezení základních pojmů
V obecném pojetí je každá investice rizikem. Tento pojem představuje níže uvedený
graficky obrázek. Základními pojmy pro každou z investic je vymezení se na:



Výnosnost - je vyjádřena peněžním přínosem, který je očekáván za dobu
životnosti zařízení. Někdy je také uváděna jako ekonomická životnost
investičního projektu.
Riziko - představuje pravděpodobnost nedosáhnutí předpokládaných výnosů a
výsledků z projektu.
Likvidita - vyjadřuje dobu přeměny investičních výdajů na peněžní příjmy.
Výnosnost
Riziko
Likvidita
Obr. 4.19. Magický trojúhelník investování

Vstupní parametry modelu
127
Vstupními parametry jsou zejména cena elektrické energie (výrobní a prodejní cena).
Cena akumulačního média, celková doba životnosti a také počet cyklů, které
předpokládáme, že skladovací systém bude muset zvládnout.

Základní investiční pravidla
Během rozhodování, jaké akumulační médium použít, se velice často přihlíží spíše
než k technickým aspektům k aspektům ekonomickým. Pro koncového uživatele
(energetiky nebo domácnosti) je ekonomika provozu a zejména investiční náklady
rozhodujícím činitelem.
Existují známé investiční odhady, které jsou založeny na několika předpokladech:





investiční náklady,
doba provozu zařízení,
předpokládaný výnos zařízení,
úroková míra v daném roce provozu,
daně.
Pro předem definované parametry byly vytvořeny modely, které respektují výše
zmíněné podmínky a dále také Odpisové skupiny, u kterých se tato položka také
hodnotí. Výsledkem je souhrn, který by měl napomoci při rozhodování o použité
technologii.
Použité ekonometrické metody

Podle zohlednění času
- metoda statická,
- metoda dynamická.
 Podle efektivity investice
- nákladové metody (jako kritérium hodnocení bývá úspora nákladů),
- ziskové metody (kritérium čistého zisku),
- příjmové metody (kritérium peněžní příjem, tj. čistý zisk spolu s odpisy).
Z hlediska používaných metod hodnocení efektivnosti investic můžeme použít
následující:







metoda průměrných ročních nákladů (annual cost),
metoda diskontovaných nákladů (discounted cost),
metoda čisté současné hodnoty (net present value)
metoda indexu ziskovosti (profitability index),
metoda vnitřního výnosového procenta (internal rate of return),
metoda průměrné výnosnosti (average rate of return),
metoda doby návratnosti (payback period).
Celkový přehled metod vyjadřuje následující tabulka.
Použití těchto metod je v obecné rovině vnímáno pouze jako prvek hodnocení
investice především v korporátní sféře. Metody jsou ale velice obecné a tím pádem je
128
lze využít na hodnocení i akumulačních prostředků pomocí softwarového řešení na
úrovni lokálních akumulačních systémů v distribučních sítích.
Obecně se dá říci, že čím kratší doba úhrady dané investice, tím je příznivější,
protože dosahuje vyšší reálné výnosnosti, nebo-li se tím zvýší likvidita. Samozřejmě
je tím i investice bezpečnější z pohledu investora
Tab. 4.5. Srovnání jednotlivých metod
Metoda doby návratnosti Je to jedna z nejméně přesných metod. Někdy je také
označována jako doba úhrady.
∑
kde
I - kapitálový výdaj
Pn - peněžní příjem
n - jednotlivá doba životnosti
DU - doba návratnosti (doba úhrady)
Metoda nepočítá s žádnými aktualizovanými příjmy. Jde pouze o prostou dobu návratnosti.
Pakliže budeme uvažovat faktor času, je třeba vzorec upravit:
∑
(
)
kde
i - diskontovaná míra
Metoda průměrných ročních nákladů (annual cost) Reflektuje pouze základní metodu
hodnocení investic.
129

Metoda Čisté současné hodnoty (NPV)
Metoda patří mezi nejpoužívanější ekonomicko-rozhodovací kritéria, podle kterých se
rozhoduje, zda se investice vyplatí či nikoliv.
NPV (z anglického originálu - Net Present Value) vychází z předpokladu, že budeme
uvažovat peněžní tok, který nám poplyne díky investici. Může být samozřejmě kladný
(cílené) nebo záporný (investice není výhodná). V podstatě se jedná o informaci kolik
peněz daná investice vydělá nebo naopak prodělá. Metoda NPV je vhodná pro
krátkodobé investice (informace se různí, ale shoda je na období do 10-ti roků).
Pokud bychom uvažovali investice delší (horizont okolo 20 let), potom tato metoda je
dosti nepraktická. Počítá totiž s předpokladem, jaký zisk přinese investice v určeném
období (a ten se může ve skutečnosti značně lišit). Čistá současná hodnota vyjadřuje
absolutní hodnotu mezi aktualizovanou hodnotou peněžních příjmů z investice a
mezi aktualizovanou hodnotou kapitálových výdajů, které si daná investice vyžádala.
Nicméně pro malé jednotky, které považují hranici 10-ti roků za maximálně možnou
pro investici, je tato metoda poměrně vhodná.
Matematické vyjádření čisté současné hodnoty (v angličtině: Net Present Value) je:
∑
(
∑
)
(
)
Někdy se můžeme setkat s upraveným vztahem:
∑(
)
(
)
∑(
)
(
)
kde
Pn - peněžní příjem
FPn - volný peněžní tok
i - diskontovaná míra
In - kapitálový výdaj
N - doba životnosti
n - jednotlivá doba životnosti
Jak vyplývá z výše uvedených rovnic je určujícím předpokladem délka trvání
investice a její skutečný čistý peněžní příjem (po odpisech). Diskontovaná míra je o
něco složitější. Vyjadřuje jak si ceníme investici, respektive jaký předpokládáme zisk
z celkové pořizovací částky, kdybychom tuto investici neprovedli. Obvykle je vyšší
než běžný spořící úrok v bance (prémie za riziko). Její vyjádření se obvykle udává v
p.a. (per annun). Pokud investor trvá na měsíční bonifikaci, musí se tento aspekt
zohlednit i při výpočtu.
130
Metoda vnitřního výnosového procenta (IRR)
Obvykle je metoda označována jako metoda vnitřního výnosového procenta,
nicméně se lze setkat také se synonymy:




Internal Rate of Return (anglicky),
mezní míra výnosu z investice,
vnitřní míra návratnosti,
vnitřní výnosové procento.
IRR je druhá základní metoda k výběru investice. Jedná se vlastně o matematické
upravení metody NPV. Jak ukazuje následující rovnice, rozdíl spočívá hlavně v
definici zisku z dané investice. IRR vyjadřuje procentní výnos při diskontovaném
peněžním příjmu respektive hledá právě takovou úrokovou míru, při které bude NPV
= 0.
∑
(
)
Pakliže bude platit:
{
můžeme vyjádřit vhodnost dané investice.
Metoda čisté konečné hodnoty
Matematicky:
∑
(
)
∑
(
)
Jak vyplývá z výše uvedených rovnic, jedná se o metodu, která aktualizuje příjmy i
výdaje. Varianta s vyšší aktualizací je výhodnější, i když všechny kladné výnosy jsou
považovány za dobrou investici (přináší vyšší zhodnocení než námi určená úroková
míra - alternativní investice).
Metoda čisté konečné hodnoty s návratností
Tato vychází z předpokladu, cituji: „Ve své matematické podobě počítá plochu mezi
kumulovanými úročenými peněžními toky z investice a kumulovanými hodnotami
úročených výdajů na investice”. Její zkratka je LRP (lineární regulační plocha).
Počítá s vyšším příjmem z investice na začátku projektu na úkor posledních let.
Opět matematicky:
∑ (∑
(
)
131
∑
(
)
)
Čím vyšší je hodnota LRP, tím je lepší z pohledu výnosnosti i v rámci porovnání
likvidity.
Metoda ekonomicky přidané hodnoty
Tato metoda je v angličtině a i u nás často vyjádřena zkratkou EVA - Economic Value
Added. Vyjadřuje rozdíl mezi očekávaným ziskem a kapitálovými náklady. Tento
ukazatel je jeden z nejmodernějších a pochází z roku 1993. Doslovně tato metoda
vyjadřuje: „Ekonomická přidaná hodnota se rovná provoznímu příjmu z projektu po
zdanění mínus výdaje na náklady alternativní příležitosti použitého vlastního kapitálu,
jejichž výše odráží riziko projektu”.
Matematicky lze výše uvedené vyjádřit jako:
∑
(
)
∑
(
)
kde
EV A - je ekonomická přidaná hodnota
re - je alternativní náklad vlastního kapitálu
Matematicky jde o metodu čisté současné hodnoty (NPV), která je ponížena o
alternativní náklady příležitosti.
132
Obr. 4.20. Grafický výstup s proměnnými parametry pro metodu NPV
133
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
RADIL, LUKÁŠ. ELIMINACE DISKONTINUITY DODÁVKY ELEKTRICKÉ
ENERGIE Z OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ. Brno, 2013. Dostupné z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/27892/Radil.pdf?sequen
ce=2&isAllowed=y. DISERTAČNÍ PRÁCE. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V
BRNĚ,
FAKULTA
ELEKTROTECHNIKY
A
KOMUNIKAČNÍCH
TECHNOLOGIÍ, ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY. Vedoucí práce doc. Ing.
PETR MASTNÝ, Ph.D.
MASTNÝ, Pert, Jiří DRÁPELA, Stanislav MIŠÁK, Jan MACHÁČEK, Michal
PTÁČEK, Lukáš RADIL, Tomáš BARTOŠÍK a Tomáš PAVELKA. Obnovitelné
zdroje
elektrické
energie.
Praha,
2011.
Dostupné
z:
http://k315.feld.cvut.cz/CD_MPO/CVUT-2-OZE.pdf. Výukový materiál. České
vysoké učení technické v Praze.
134
5 Vybrané obnovitelné zdroje
5.1. Solární zdroje
Solární zdroje patří v České republice mezi nejrozšířenější obnovitelné zdroje
energie, jak elektrické, tak tepelné.
Tento zdroj energie je ovlivňován několika faktory, které se odvíjejí nejvíce od
počasí.






Poloha
Oblačnost
Srážky
Povětrnostní podmínky
Rozptylové podmínky
A další…..
Vlivy zeměpisné polohy a pohybu Slunce, oblačnosti, nadmořské
výšky a jiné
Množství slunečního záření dopadajícího na zemský povrch v dané lokalitě značně
kolísá, což je způsobeno množstvím faktorů.
Zejména jsou to tyto faktory:





umístění lokality na zemském povrchu. V našich zeměpisných šířkách cca
okolo 5 rovnoběžky je intenzita slunečního záření menší než v tropických či
subtropických oblastech,
umístění lokality vzhledem k okolí. Intenzita záření v čistých horských
oblastech je větší, než v městských aglomeracích. Je to způsobeno
znečištěním atmosféry, které působí podobně jako sluneční clona,
orientace plochy, na které měříme sluneční záření. Nejvíce slunečního záření
dopadá na plochy orientované k jihu, méně již na plochy orientované k
ostatním světovým stranám,
sklon dané plochy. V letních měsících dopadá nejvíce záření na plochu mírně
skloněnou, optimálně cca 30°, v zimním období na plochu s větším sklonem,
optimálně cca 64-70°,
odražená či rozptýlená, část se nazývá difúzní záření. Toto záření je
všesměrové, jeho intenzita je ve všech směrech obdobná. Za jasné oblohy
tvoří difúzní záření jen cca 1/5 celkového záření, při zatažené obloze je
sluneční záření tvořeno jen zářením difúzním.
135
Obr. 5.1. Vliv sklonu kolektoru na získanou energii
Sklonem, případně orientací plochy je ovlivněno hlavně přímé záření, intenzita
difúzního záření je ve všech směrech obdobná. Výška Slunce nad obzorem se
během roku mění. Ideální celoroční sklon kolektoru pro orientaci na jih je 45°. Při
tomto sklonu se vyrobí nejvíce energie. V zimě by měly být kolektory strmé (65-75°) v
létě ploché (30-35°). Většinou se kopíruje sklon střechy. Další faktor, ovlivňující
množství dopadajícího záření, je časové období.
Tento faktor je velmi důležitý zejména pro využití přeměny slunečního záření na
teplo, v letním období, kdy je obvykle nejmenší spotřeba tepla, je množství
slunečního záření největší a naopak v období zimním, kdy je největší spotřeba tepla,
je množství dopadajícího slunečního záření nejmenší. To je hlavně způsobeno
dobou slunečního svitu, např. v Praze svítí slunce v červnu a červenci cca 266 hodin,
zatímco v prosinci jen 35 hodin.
Zajímavým aspektem slunečního záření je také jeho spektrum.
Sluneční spektrum
Sluneční spektrum získáme tak, že světelné (elektromagnetické) záření rozložíme
podle vlnových délek (kratší vlnové délky odpovídají větší energii fotonů a naopak).
Zjistíme, že denní světlo obsahuje mnoho barev, od červené přes oranžovou, žlutou,
zelenou, modrou až k fialové. Vně této oblasti se nachází záření, které je pouhým
okem neviditelné, avšak je možné jej různými přístroji změřit.
136
Barva Rozsah vlnových délek (nm) Střed (nm)
390 - 430
400
430 - 485
450
485 - 505
495
505 - 550
525
550 - 575
555
575 - 585
580
585 - 620
600
620 - 760
650
Tab. 5.1. Rozložení vlnových délek denního světla
Ultrafialové sluneční záření s vlnovými délkami menšími než 390 nm, které před
vstupem do zemské atmosféry tvoří asi 7 % energie celkového elektromagnetického
slunečního záření a jež je ze značné části absorbováno atmosférickým ozónem ve
stratosféře.
Viditelné sluneční záření s vlnovými délkami od 390 nm do 760 nm vytvářející
spektrum barev od fialové po červenou (asi 48 % energie celkového
elektromagnetického slunečního záření před vstupem do atmosféry).
Infračervené sluneční záření, které má vlnové délky větší než 760 nm a před
vstupem do atmosféry tvoří přibližně 45 % z toku energie slunečního záření.
Základní veličinou při popisu přímého slunečního záření je jeho intenzita I, kterou
definujeme jako množství zářivé energie, jež za jednotku času dopadá na
jednotkovou plochu orientovanou kolmo ke slunečním paprskům.
137
zatažení
modrá obloha
mírně zataženo
zamračeno
Tab. 5.2. Stavy počasí
138
18000
16000
14000
vlnová délka (nm)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
-2000
300
326
353
379
406
432
458
484
510
536
562
588
614
640
665
691
716
742
767
792
817
842
867
892
917
941
966
990
1015
1039
1063
1087
0
zatazeno
poměrná bezrozměrná jednotka
modra obloha
mirne zatazeno
zamraceno
Obr. 5.2. Spektrum jednotlivých dní
Obr. 5.3. Sluneční poměry v ČR
Průměrná délka slunečního svitu
2000hod
Střední hodnota úhrnu globálního záření
1100-1250kW/m2
Souhrn dopadu energie letní období
3/4
Souhrn dopadu energie zimní období
1/6
139
Podíl difúzního záření
50% a více
Tab. 5.3. Osvitové poměry v ČR
Energetické přeměny slunečního záření
Energie může mít různé podoby: pohybovou, tepelnou, elektrickou aj. Jedním ze
základních přírodních zákonů je zákon zachování energie:
Obr. 5.4. Rozdělení energetických přeměn

Nepřímé využití

Energie vody

Sluneční energie → pohybová energie vody → pohybová energie turbíny →
pohybová energie generátoru → elektrická energie.
Energie větru

Sluneční energie → pohybová energie větru → pohybová energie vrtule →
pohybová energie generátoru → elektrická energie.
Energie biomasy
Sluneční energie → chemická energie (fotosyntéza v rostlinách) → chemická
energie (biopaliva) → teplo (spalování biopaliv).
140

Přímé využití

Přeměna na teplo
Sluneční energie → teplo (fotovoltaické kolektory).

Přeměna na elektřinu
Sluneční energie → elektrická energie (fotovoltaické panely).
Fotovoltaické panely

Historie
Historie fotovoltaického článku se začala odvíjet v roce 1839. V tomto roce prováděl
francouzský fyzik Antoine C. Becquerel pokusy s dvěma kovovými elektrodami
umístěnými v elektrovodivém roztoku. Při jejich osvícení světlem docházelo k změně
napětí na kovových elektrodách. V roce 1877 objevili William G. Adams a Richard E.
Day fotovoltaický efekt na selenu a byl vyroben první solární článek. V roce 1918
objevil způsob růstu monokrystalu křemíku polský vědec Jan Czochralsky. Jako
vynálezce křemíkového solárního článku je označován Američan Russell S. Ohl
patent, ale obdrželi 5.března roku 1954 Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin a Calvin
S. Fuller, kteří o měsíc později vyrobili články o účinnosti 4,5%. Následný vývoj
zrychlilo rozhodnutí používat je jako zdroj energie pro umělé družice Země a
následně rozvoj hromadné výroby polovodičů a snahy o získávání elektrické energie
z alternativních zdrojů bez využití fosilních paliv.

Základní princip
Velikost proudu procházejícího elektrickým obvodem závisí jednak na ozáření článku
a dále pak na ploše článku a na účinnosti článku.
Hloubka vniku světla (tj. vzdálenost od povrchu ve které klesne intenzita světla v
polovodiči vlivem absorpce na zhruba jednu třetinu) závisí na energii fotonu (s
rostoucí energií fotonu hloubka vniku klesá) a na typu polovodiče. Aby článek byl
účinný, musí být páry elektron – díra generovány v blízkosti přechodu PN. To
znamená, že přechod PN musí být realizován velmi blízko povrchu, na které dopadá
světlo (několik desetin mikrometru pod povrchem). Nosiče, generované mimo místa
přechodu PN musí k oblasti se silným elektrickým polem difundovat. Pokud
zrekombinují dříve, než dosáhnou oblasti přechodu PN, neuplatní se při generaci
fotovoltaického napětí. Je proto třeba volit technologii tak, aby ztráty rekombinací
byly minimální. Kromě toho je třeba zabránit ztrátám spojeným s odrazem
dopadajícího záření od povrchu. Proto se na povrchu vytváří zdrsnění povrchu
(textura) a povrch se pokrývá antireflexní vrstvou, která zabraňuje odrazu světla
(články proto mají nejčastěji tmavomodrou barvu).
141
Obr. 5.5. Hloubka vzniku světla do monokrystalického solárního článku

Základní rozdělení solárních článků
Rozdělení solárních článků podle struktury




Monokrystalické články
Polykrystalické články
Amorfní články
Organické články
Rozdělení solárních článků podle druhu vrstev a technologie výroby


Mnohovrstvé
Tenkovrstvé
Rozdělení solárních článků podle počtu přechodů



Jedno přechodové
Více přechodové
Solární panely z Si článků
Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich
zapouzdření fotovoltaický panel. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření
142
solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost
(např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelů jsou
značně rozmanité podle druhu použití. Obvykle jsou po obvodu FV panely opatřeny
duralovými rámy pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k
usnadnění realizace uchycení panelů ke konstrukci FV systému. Přední krycí
materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Vhodné je sklo se
sníženým obsahem železa, které má lepší propustnost pro světlo v červené a blízké
infračervené oblasti spektra. Moderní články mají antireflexní vrstvu, která snižuje
ztrátu světla odrazem, a zvedne tak účinnost o několik procent.
Obr. 5.6. Složení solárního panelu
1. Tvrzené sklo
Vysoce propustné tvrzené sklo má oproti běžnému sklu mnohem lepší vlastnosti, a to
z hlediska bezpečnosti, efektivnosti a úrovně ochrany modulu proti větru, mrazu,
dešti, sněhu, nárazu či korozi. Povrch tohoto ochranného skla navíc lépe propouští
sluneční záření, což zajišťuje vyšší efektivitu a nižší ztráty při výrobě solární energie.
2. a 4. Vysoce kvalitní zapouzdřovací materiál EVA
Díky laminaci dochází k trvanlivému spojení solárních článků, skla a fólie, čímž je
zajištěna pro tyto články vysoce účinná ochrana. Materiál při laminování vytváří
vysoce homogenní UV stabilní gel. Po celou dobu životnosti panelu je tak
zabezpečen stabilní výkon. Vynikající izolace a ochrana proti vlhkosti, mrazu a horku
zajišťují solárním panelům Phono Solar vysokou kvalitu a životnost.
3. Vysoce kvalitní solární články
Články Phono Solar mají vysokou a zároveň stabilní konverzní účinnost. Zaručena je
tak i vysoká účinnost celých fotovoltaických modulů. Přechodové odpory mezi články
143
jsou minimální, články mají vysokou pevnost v tahu, stejnorodý odstín a atraktivní
vzhled.
5. Špičková ochranná polyvinyl fluoridová (PVF) fólie
Vysoká přilnavost díky materiálu EVA; velká odolnost proti povětrnostním vlivům,
nerozpustnost, odolnost vůči stárnutí a působení vody. Fólie disponuje vynikající
nepropustností, díky níž dokáže materiál EVA i solární články ochránit před
erozivními substancemi, jakými jsou např. voda, kyslík a žíraviny. Elasticita materiálu
EVA a tvrdost ochranné PVF fólie dodává solárním článkům vynikající seismickou
odolnost a celkovou ochranu. V současnosti neexistuje lepší systém ochrany
struktury solárních článků.
6. Spolehlivá propojovací krabice
Výborná těsnící schopnost poskytuje bezpečné a spolehlivé elektrické spojení.
Kontakty jsou pájené. Nedochází tak k nadměrnému zahřívání ani zhoršování
kontaktu vlivem stárnutí jako je tomu u systému s pružinovými kontakty. Tmel
zajišťuje excelentní tepelnou absorpci, zabraňuje tepelnému poškození diod a navíc
brání únikovým proudům.
7. Mechanická spojka vodičů
Snadno zapojitelná mechanická spojka vodičů zajišťuje bezpečnost a funkčnost
spojení. Flexibilní prvky kontaktu zásadním způsobem zlepšují ekonomičnost a
jednoduchost obsluhy. Nízký přechodový odpor kontaktu zajišťuje, aby nedocházelo
k tepelnému opotřebení a aby se snížila ztráta elektrické energie.
8. Kvalitní duralová konstrukce
Anodizovaná konstrukce poskytuje modulu dobré mechanické vlastnosti, snadnou
instalaci a ochranu – zajišťuje uzemnění konstrukce; zabezpečuje dlouhodobou
ochranu modulu před korozí, a to i v nejextrémnějších povětrnostních podmínkách.
9. Silikonový těsnící tmel
Vysoká účinnost, chemická nereaktivnost s materiálem EVA a ochrannou PVF fólií,
zajišťuje chemickou stabilitu. Tmel se aplikuje do drážky v konstrukci a uzavírá a
zatěsňuje hranu laminace tak, aby nedocházelo k pronikání erozivních plynů a
tekutin dovnitř modulu. Zároveň svou pružností tlumí případné vnější mechanické
nárazy při instalaci a nešetrném zacházení.

Náhradní schéma FV článku
Na následujícím obrázku je znázorněno náhradní elektrické schéma solárního
článku. Čím vyšší bude intenzita dopadajícího záření, tím větší se pak bude
generovat proud Igen, který zajistí co nejvyšší rekombinaci a dojde k růstu
výstupního výkonu. Maximální výkon je dán minimálním sériovým odporem Rs (Rs
reprezentuje odpor kontaktu a přívodu na PN přechodu, minimalizuje elektrické
144
ztráty) a co největším svodovým odporem Rsv. Odpor Rl znázorňuje zátěž solárního
článku
Obr. 5.7. Náhradní elektrické schéma solárního článku
Zkratový proud
Tento parametr se značí ISC a je to proud, při kterém je napětí na solárním článku
nulové. Pokud je odpor RS nulový, můžeme říci, že proud ISC je roven proudu IGEN.
Měření tohoto parametru se realizuje speciálním přístrojem.
Napětí naprázdno
Dalším sledovaným parametrem je napětí na prázdno značené UOC. Toto napětí je
naměřeno na výstupních kontaktech článku, pokud zde není připojen žádný spotřebič
odebírající elektrickou energii.
Výkon
Parametrem výkonu PM zjišťujeme, jak velké množství energie lze ze solárního
článku odebírat. Pokud chceme optimálně využívat tento typ energie, je nutné se
pohybovat na maximálním bode výkonového spektra. Výkon P M lze zapsat
následujícím vztahem:
PM = U M *I M [W]
kde IM je maximální proud a UM je maximální napětí naměřené při maximálním
zatížení.
Účinnost
Tento parametr udává velikost účinnosti (efektivity) solárního článku při přeměně
světelné energie na energii elektrickou. V současné době se účinnost průmyslově
vyráběných článku pohybuje v rozmezí 7-25% v závislosti na druhu článků.
V případě laboratorních pokusu se může prokazatelně dosáhnout až o 20% vyšší
účinnosti.
Faktor plnění (Fill-Factor)
145
Faktor plnění, označován také jako Fill Factor se značí zkratkou FF. Jedná se o
parametr znázorňující ideálnost článku. Čím je parametr FF vyšší, tím je solární
článek hodnotnější. Pro křemíkové články jsou typické hodnoty 60-80%, výpočet FF
je zřejmý ze vztahu.
[ ]
Paralelní odpor článku
Jedná se o negativní parametr. Tento parazitní odpor RSV (svodový odpor) může být
způsoben svodovým proudem článku nebo jinými defekty. Hodnota paralelního
odporu pro ideální článek by se měla blížit k nekonečnu. Odpor je paralelně spojen s
diodou, takže zde dochází k úbytku proudu. V běžném životě se hodnota tohoto
odporu opomíjí.
Sériový odpor článku
Hodnota sériového odporu pro ideální článek by se měla rovnat nule. Pokud se
velikost sériového odporu zvýší, sníží se proud ISC a na odporu RS dojde ke vzniku
napětí a tím se zvýší proud procházející diodou D. Výstupní napětí Uoc zůstává
stejné. Jestliže tato situace nastane, sníží se účinnost článku a dochází k
neefektivnímu využívání solárního zařízení.

Výkon solárních článků
Elektrické vlastnosti solárních článků se popisují charakteristikou neboli křivkou
závislosti proudu na napětí. Nejvyšší možnou hodnotou proudu je tzv. zkratový proud
ISC, který může článek při dané intenzitě ozáření dodávat. Dalším charakteristickým
bodem je napětí naprázdno UOC, které udává maximální napětí článku, kterého je
možno dosáhnout, když ke článku není připojen žádný spotřebič.
146
Obr. 5.8. Příklad VA charakteristik
Pro každý článek existuje pracovní bod na charakteristice, ve kterém je výkon
největší. Tento bod je označován jako bod maximálního výkonu (MPP) o napětí U mpp
a proudu Impp. Výkon solárního článku se tedy vypočítá jako součin proudu a napětí.
Velikost fotovoltaického napětí závisí na několika faktorech, které jsou pro výkon
článku určující:




materiál, ze kterého je fotovoltaický článek vyroben a technologie výroby,
intenzita dopadajícího světla (podnebí, počasí, poloha a umístění),
teplota článku,
čistota povrchu.

Zvýšení výkonu pomocí spojování fotovoltaických modulů
Dnes se vyrábějí moduly v rozsahu výkonu od jednotek wattů do hodnot kolem 200
wattů. Při potřebě výkonu většího než jakého dosahuje jeden modul, lze propojit více
modulů mezi sebou do tzv. fotovoltaických polí (někdy se užívají termíny sluneční
baterie nebo solární generátor).
Moduly se dají propojit třemi způsoby:

sériově – pouze zvýšení vyráběného napětí,

paralelně – pouze zvýšení vyráběného proudu.

kombinací obou spojení – zvýšení vyráběného proudu i napětí.
Konstrukci fotovoltaického pole by měly tvořit moduly stejného typu od stejného
výrobce.

Zvýšení výkonu pomocí vnějších prostředků
147
Zvýšeného výkonu fotovoltaického pole lze dosáhnout i použitím vnějších prostředků,
které koncentrují světlo na povrch modulů, snižují jejich teplotu nebo je natáčejí za
Sluncem. Takto lze zvyšovat výkon např. „koncentrací“ pomocí několika konstrukcí:


rovinná zrcadla – jsou umístěna mezi solární moduly a zvyšují výkon až o 50
procent. Používají se hlavně u konstrukcí, které nesledují dráhu Slunce,

optické čočky – jsou značně masivní, proto se ve větších koncentrátorech
používají Frenselovy čočky. Jejich princip ale vyžaduje dvouosý natáčecí
systém konstrukce pro sledování dráhy Slunce,

lineární parabolická zrcadla – dosahují mnohem vyšší koncentrace záření
než rovinná zrcadla. Pro větší efektivitu vyžadují alespoň jednoosé sledování
dráhy Slunce,

složené parabolické koncentrátory – jsou známé pod názvem Winstonovy
koncentrátory a jsou obdobou lineárních parabolických zrcadel. Nejsou však
tak citlivé na správné nasměrování, proto se dají využívat bez systému
sledování dráhy Slunce.
Umístění fotovoltaických panelů
Optimalizace orientace panelů vzhledem k světovým stranám
Bude-li uvažováno umístění fotovoltaické solární elektrárny na určité místo je třeba
brát na zřetel optimalizaci umístění a náklonu FV solární elektrárny vzhledem ke
světovým stranám a to z důvodu co nejlepšího optimálního výkonu FV elektráren.
Jak je pochopitelné nejoptimálnější natočení FV elektráren je na jih se sklonem
optimálně 90°ke svitu slunce. Není-li tato možnost a FV elektrárna bude natočena na
jiho-západ či jiho-východ sníží se výkon elektrárny cca o 10% a v létě o 3%.
Optimální sklon fotovoltaických panelů
Optimální sklon panelů v České republice se pohybuje mezi 35-49° a to z toho
důvodu, že v letních měsících se slunce pohybuje nad úrovní horizontu než
v zimních měsících.
U FV panelů, které jsou pevně umístěny, je optimální volit úhel náklonu 45°
Závislost výkonu fotovoltaických panelů na intenzitě slunečního
záření
Závislost výkonu FV panelu na intenzitě slunečního záření je různá dle typu
použitého panelu (monokrystalicky, polykrastalický,amorfní a jiné).
Dnes nejčastěji rozšířené jsou monokrystalické FV panely, kterým poklesne výkon na
cca 30% při zatažené obloze a 10% při zatažené obloze. V závislosti na intenzitě
slunečního záření FV panely ovlivňuje také teplota panelu (čím větší intenzita
slunečního záření, tím větší teplota na panelu a tím se snižuje účinnost, viz.níže)
148
Vnitřní ztráty výkonu fotovoltaických panelů a ztráty v důsledku
jejich znečištění

Ztráty vzniklé ohřevem panelů
Na polohu pracovního bodu má výrazný vliv teplota. Při déle trvající sluneční
intenzitě nebo zhoršených podmínkách chlazení článku (bezvětří), kdy teplota
vzduchu dosahuje až 40 °C, dochází ke zvýšení povrchové teploty solárního článku
až na 80 °C. Při takto vysokých teplotách dochází ke změně elektrických vlastností
článku, která vede ke snížení svorkového napětí solárního článku na zatěžovací
charakteristice. Pokles svorkového napětí způsobí snížení dodávaného výkonu do
zátěže. Jelikož k tomuto jevu dochází právě při největší sluneční intenzitě, můžeme
ztratit popř. až 75 % z dosažitelné denní výroby solárního článku.
Z uvedeného je zřejmé, že výkon solárního článku v zimním období je výrazně vyšší
než v letním období.
Typická změna výkonu (pokles výkonu) je udávána:
kde
ΔP …… je změna výkonu na svorkách solárního článku (W)
Δ …… je změna teploty solárního článku (°C)
Z uvedeného vztahu vyplývá, že při změnách teploty o 10 °C, dojde ke změně
výkonu o 4 %. Při změně teploty o 25 °C, dojde ke změně výkonu až o 10 %.
Skladovací a pracovní teplota se udává v typickém rozsahu teplot od -35°C do
+85°C.
Obecně lze říct, že běžná hodnota teplotního koeficientu u monokrystalických Fv
panelů je okolo 0,47%/° a při změně teploty o 25°C dojde k změně výkonu až o 10%.
Fotovoltaické systémy
Jedná se obecně o soubor fotovoltaických (FV) panelů, měničů, konstrukčních a
jistících prvků a kabeláže. Tento systém je schopen vyrobit elektrickou energii ze
slunečního záření dopadajícího na FV panely. Fotony slunečního záření předávají
svoji energii elektronům v P-N přechodu křemíkového článku, čímž vzniká na
panelech stejnosměrný (ss) el. proud a napětí. Při vhodném seriovo-paralelním
zapojení panelů a propojení na měnič je dosahováno max. účinnosti přeměny ss
napětí na střídavé napětí o frekvenci 50 Hz.
Podle účelu použití lze fotovoltaické systémy rozdělit do 3 základních skupin.
1. Drobné aplikace
2. Ostrovní systémy (grid-off)
149

Grid-off systémy s přímým napájením

Grid-off systém s akumulací elektrické energie

Hybridní Grid-off systém
3. Síťové systémy (grid-on)

Drobné aplikace
Tvoří nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Každý jistě zná FV články v
kalkulačkách nebo také solární nabíječky akumulátorů. Trh drobných aplikací nabývá
na významu, protože se množí poptávka po nabíjecích zařízeních pro okamžité
dobíjení akumulátorů (mobilní telefony, notebooky, fotoaparáty, MP3 přehrávače
apod.) na dovolených, v kempech popř. ve volné přírodě.
Ostrovní systémy – Grid-off
Autonomní systémy jsou instalovány na místech, kde není účelné budovat
elektrickou přípojku. Realizace fotovoltaického systému se stává výhodnější
variantou v případě, že stávající nejbližší přípojné místo k rozvodné síti je dále než
500 až 1000 m (záleží na typu přípojky). Výkony autonomních systémů se pohybují v
intervalu 10 - 10 000 wattů špičkového výkonu. V návrhu takto napájeného objektu
nelze opomenout zřízení zvláštní místnosti pro akumulátory a případně pro spalovací
generátor. U autonomních systémů je kladen důraz na minimální ztráty energie a na
používání energeticky úsporných spotřebičů. Příklady použití: horské chaty, samoty,
rekreační objekty, telekomunikační zařízení. Tyto systémy jsou nejvíce používány v
Austrálii, Francii, Itálii, Španělsku, Švýcarsku a v USA (každá z těchto zemí má
instalováno více než 2 MWp ke konci roku 1995). Veliký potenciál se nachází v
odlehlých oblastech rozvojových zemí.

Grid-off systémy s přímým napájením
Systémy s přímým napájením jsou realizovány všude tam, kde nevadí, že připojené
elektrické zařízení je funkční jenom v případě dostatečné intenzity slunečního záření.
Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Čerpání vody pro
závlahu je ukázkou aplikací systému bez akumulace el.energie, napájení oběhového
čerpadla solárního systému pro přípravu teplé užitkové vody, napájení čerpadla
okrasné fontánky nebo napájení ventilátoru odvětrání uzavřených prostor.
150
Obr. 5.9. Systém s přímým napájením

Grid-off systém s akumulací elektrické energie
Doba, po kterou je k dispozici energie ze solárních panelů většinou není totožná s
dobou, kdy nastává její největší spotřeba. Z toho důvodu jsou nezbytnou součástí
autonomních systémů akumulátorové baterie. Životnost akumulátorové baterie silně
závisí na způsobu nabíjení a vybíjení, proto je vhodné optimální chod systému zajistit
solárním regulátorem. K autonomnímu systému lze připojit spotřebiče na
stejnosměrný proud (napětí systému zpravidla 12 nebo 24V), tak běžné síťové
spotřebiče 230V/ ~50Hz napájené přes napěťový měnič.
Obr. 5.10. Systém s akumulací elektrické energie (12/24V)
151
Obr. 5.11. Systém s akumulací elektrické energie (12 i 230V)

Hybridní Grid-off systém
V zimních měsících z fotovoltaického zdroje je získáváno podstatně méně elektrické
energie než v letních měsících. Proto je nutné systémy s celoročním provozem a s
častým užíváním dimenzovat na zimní provoz. Instalovaný výkon fotovoltaických
panelů však v takovém případě neúměrně naroste a s tím i investiční náklady. Navíc
v letních měsících je takovýto systém silně předimenzovaný. Mnohem výhodnější je
z tohoto hlediska připojit k energetickému systému doplňkový zdroj elektrické
energie, který pokryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným
slunečním svitem. Takovým zdrojem může být větrný generátor, spalovací generátor
nejlépe s kogenerací (společná výroba elektrické a tepelné energie) a nebo malá
vodní elektrárna.
Obr. 5.12. Systém s akumulací elektrické energie (12 i 230V)

Ostrovní systémy – Grid-on
152
Tyto systémy jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodů.
Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. Špičkový výkon
fotovoltaických systémů připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek až stovek
kilowatt. Fotovoltaické panely jsou většinou integrovány do obvodového pláště
budov.
Obr. 5.13. Solární systém na VŠB - TUO
Tyto systémy rozdělujeme na dva:


Systémy pro vlastní spotřebu a prodej přebytků

Systémy pro prodej elektrické energie do sítě
Systémy pro vlastní spotřebu a prodej přebytků
Systém v této konfiguraci obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič
pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý a zvláštní elektroměr pro
odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Celý tento okruh je připojen na samostatný
jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu. Solární systém je
připojen za hlavní elektroměr (z pohledu distribuční společnosti), je tedy možné
dodávat energii spotřebičům v objektu (a tím šetřit náklady na odebranou elektřinu)
nebo ji v případě přebytků přes hlavní čtyřkvadrantní elektroměr předávat do sítě. V
obou případech je za vyrobenou elektřinu inkasován tzv. zelený bonus, v případě
prodeje přebytků do sítě navíc výrobce inkasuje rozdíl mezi výkupní cenou a
zeleným bonusem.
153
Obr. 5.14. Systém pro vlastní spotřebu a prodej přebytků do sítě

Systémy pro prodej elektrické energie do sítě
Systém, který produkuje elektrickou energii výhradně pro výkup, obsahuje
fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič, který přemění stejnosměrný proud
na proud střídavý a elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Tento
okruh je přes jistič a přepěťovou ochranu připojen ještě před hlavní elektroměr v
objektu (z pohledu distribuční společnosti). Veškerá vyrobená elektrická energie je
tedy dodávána do distribuční sítě za výkupní cenu.
Obr. 5.15. Systém pro výhradní prodej elektrické energie do sítě
Environmentální dopady fotovoltaických systémů
154
Fotovoltaika je vnímána jako technologie šetrná k životnímu prostředí, i z obchodního
hlediska se výrobci snaží toto pojetí posilovat. Sledování environmentálních dopadů
je proto věnována odpovídající pozornost.
Analýza životního cyklu fotovoltaické elektrárny s multikrystalickými články metodou
CML. Na potenciálu globálního oteplování, humánní toxicity a acidifikace (2., 4. a 6.
sloupec) se minimálně ze 70 až 80 % podílí sekundární dopady - emise z výroby
spotřebované energie. Redukce spotřeby energie ve výrobě má tedy výrazně
pozitivní environmentální dopady. Pokud by byly ve výrobě použity obnovitelné
zdroje energie, byly by environmentální dopady výrazně nižší. Z hlediska trvalé
udržitelnosti je významná rychlost čerpání surovinových zdrojů (sloupec 1) pro
vyhodnocení jejich dostupnosti v budoucnosti.
Obr. 5.16. . Environmentální dopady výroby FV panelů o výkonu 1 kWp, metoda
CML

Energetická náročnost výrobního cyklu fotovoltaického systému
V případě fotovoltaických (FV) panelů z krystalického křemíku můžeme rozlišit
následující fáze životního cyklu (zvýrazněny jsou nejvýznamnější položky z hlediska
energetické náročnosti):

těžba surovin,

výroba metalurgického křemíku (mg-Si),

rafinace na solární křemík (sg-Si),

krystalizace ingotu a řezání desek,

výroba článků,

kompletace panelů,

montáž fotovoltaického systému,
155

provoz - výroba elektřiny,

demontáž systému,

recyklace nebo likvidace,

doprava (v různých fázích).
Podobný řetězec lze vysledovat pro ostatní komponenty fotovoltaického systému měnič, nosnou konstrukci případně tracker a další.
Podíl jednotlivých položek závisí kromě použité metody výroby solárního křemíku a
ingotů i na konkrétním výrobci. Výroba monokrystalických článků je ve srovnání s
multikrystalickými energeticky náročnější, mají však vyšší účinnost. Novější provozy
mají v obou případech spotřebu až několikanásobně nižší. Podobně technologie
tažení křemíkových pásů přímo z taveniny (tzv. ribbon) je díky nižší spotřebě křemíku
energeticky výhodnější články vyrobené touto technologií však mají nižší účinnost.
Obr. 5.17. Podíl jednotlivých fází na energetické náročnosti výroby FV panelů
Výroba solárního křemíku
Dokud byl pro výrobu fotovoltaických článků používán odpadní křemík z výroby
mikroelektronických součástek, byla otázka energetické náročnosti výroby vedlejší. S
růstem výrobních kapacit fotovoltaických článků vyvstala nutnost budovat nové
kapacity speciálně na výrobu solárního křemíku. Původní tzv. Siemens proces byl
sice upraven s cílem snížit spotřebu energie, přesto podíl výroby křemíku na celkové
spotřebě energie byl stále vysoký.
Novější proces využívající tzv. Fluidized Bed Reaktor (FBR) namísto původního
reaktoru Siemens vykazuje nižší spotřebu elektrické energie, spotřeba tepla je
zhruba stejná. Ve fázi ověřování je výrobní postup firmy Elkem Solar, v němž je
solární křemík vyráběn přímo metalurgickým postupem. Srovnání spotřeby energie
uvedených metod je v Tab.13.
156
Metoda
Jednotka Siemens FBR Elkem
Spotřeba energie
Elektřina kWhel
110
30
25
Teplo
MJth
185
185
-
Celkem
MJprim
1070
500
300
Tab. 5.4. Energetická náročnost různých metod výroby solárního křemíku
Ostatní fáze výroby panelů
Spotřeba energie při výrobě ingotu souvisí s tepelnými ztrátami zařízení. U větších
ingotů jsou měrné ztráty na jednotku produkce menší. Další pokles spotřeby lze
očekávat v souvislosti s rekuperací tepla.
Řezání ingotů a desek se blíží technologickým limitům, nelze již dále zmenšovat
šířku řezu a proto ani spotřebu energie. Snížit spotřebu energie až o dvě třetiny a
zároveň finanční náklady je možno recyklací řezné emulze.
Podíl spotřeby energie zbývajících fází výroby fotovoltaických panelů byl donedávna
málo významný. V současnosti nad snahou o snižování spotřeby energie převažuje
snaha o zvyšování účinnosti, která má významnější vliv na energetickou návratnost.
V důsledku spotřeba energie ve výrobě článků a při kompletaci panelů mírně
narůstá.
Doplňkové komponenty fotovoltaických systémů
Snižování energetické náročnosti výroby ostatních komponent fotovoltaické
elektrárny - invertor, kabeláž, nosná konstrukce - je věnována zvýšená pozornost
teprve v posledních letech, dříve byl jejich podíl na celkové spotřebě energie málo
významný.

Energetická návratnost a energetická výnosnost
Odhady budoucích cen energetických komodit jsou zatíženy značnou nejistotou. V
polovině loňského roku byla cena ropy třikrát vyšší než v současnosti. Ekonomové
jen odhadují, jaký podíl na dosavadním vývoji měly spekulace nebo současná
ekonomická krize a jaký je podíl rostoucích nákladů na těžbu ropy. Ekonomické
porovnávání zdrojů energie z dlouhodobého hlediska je proto velmi obtížné.
Jednou z možností, jak se vyhnout nejistotám ekonomických prognóz, je porovnávat
zdroje energie čistě z energetického hlediska. K tomu jsou používány ukazatele energetická návratnost (EPBT) a energetická výnosnost (EROEI). U paliv a
podobných zdrojů energie lze vyhodnocovat pouze EROEI. Naproti tomu u elektráren
je možno vyhodnocovat oba ukazatele. U všech konvenčních zdrojů energie lze do
budoucna očekávat pokles EROEI, protože se snižující se dostupností porostou
157
náklady na jejich těžbu. Naproti tomu u obnovitelných zdrojů energie a zejména u
fotovoltaiky je do budoucna očekáváno ještě výrazné zlepšení. Je zřejmé, že z
dlouhodobého hlediska mohou být používány zdroje s nízkým EROEI jen v případě,
že budou dotovány, například proto, že budou mít jiné výhodné vlastnosti.
Cesty ke zkracování doby energetické návratnosti (EPBT):

Snižování spotřeby energie ve výrobě solárního křemíku

Snižování spotřeby křemíku

Zvyšování účinnosti článků

Recyklace na konci životnosti
Cesty ke zvyšování energetické výnosnosti (EROEI):

Zkracování energetické návratnosti (viz. výše)

Prodlužování životnosti

Snižování spotřeby křemíku
Spotřeba křemíku na výrobu článků (měřeno v g/Wp) klesá jednak snižováním ztrát
křemíku ve výrobě, jednak zvyšováním účinnosti článků a panelů. Snížení spotřeby
křemíku obvykle snižuje výrobní náklady. Současný standard je spotřeba na úrovni
10 až 12 g/Wp, viz obr.76. V poslední době jsou zkoušeny bezřezné technologie
oddělování desek. Uvažuje se o výrobě desek s tloušťkou jen 80 µm s odpadem asi
5 %. Spotřeba křemíku by se snížila na zlomek současné hodnoty. V nejbližších
letech je očekáván pokles na 4 až 6 g/Wp. Za technologickou mez jsou v současnosti
považovány 2 g/Wp. Při tak nízké spotřebě křemíku už vysoce převažuje energetická
náročnost ostatních komponent, viz obr.77.
Obr. 5.18. . Vývoj spotřeby energie na výrobu fotovoltaických panelů v závislosti na
spotřebě křemíku
158
Zvyšování účinnosti článků a panelů
Účinnost lze u krystalických křemíkových článků považovat za měřítko kvality výroby.
Ještě před několika málo lety byla účinnost 12 % považována za vyhovující. V
současnosti je standardem 16 %, za dobrou hodnotu je považováno 18 %. Toto
poměrně výrazné zlepšení bylo dosaženo relativně malými úpravami výrobního
postupu. Špičkové články dosahují účinnosti kolem 22 % . Rekordní účinnost
monokrystalických článků je již 10 let na úrovni 24,7 %, což je blízko teoretického
maxima pro jednovrstvé technologie, multikrystalické články dosáhly účinnosti 20,3
%. Je však třeba rozlišovat účinnost samotných článků a účinnost kompletních
panelů, která je asi o dvě procenta nižší.
Zvýšení účinnosti panelů a zároveň zlepšení dlouhodobé stability výkonu, a tím i
prodloužení životnosti by mohlo přinést laminování do silikonu. Silikon má lepší
odolnost proti UV záření i vysokým teplotám než v současnosti používaná EVA fólie.
Je sice cenově náročnější, umožňuje však zrychlit kontinuální výrobní proces.
Obr. 5.19. Energetická návratnost fotovoltaických elektráren v závislosti na spotřebě
křemíku a účinnosti článků pro různé technologie výroby solárního křemíku
Energetická návratnost kompletního fotovoltaického systému se při použití v
současnosti dostupných metod může zkrátit na méně než 2 roky i v podmínkách
České republiky. Při životnosti 30 let tak mohou fotovoltaické elektrárny s panely z
krystalických křemíkových článků dosáhnout EROEI 15 i více.
159
Obr. 5.20. Energetická návratnost FV systému s vyznačením podílu jednotlivých
komponent

Recyklace panelů na konci životnosti
Recyklace fotovoltaických panelů je dosud okrajovou záležitostí, v současnosti je
vyřazováno z provozu jen několik stovek tun panelů ročně v rámci celé Evropy.
Kromě recyklace panelů vyrobených běžnými technologiemi jsou zkoušeny i úpravy
konstrukce s cílem recyklaci usnadnit.
Nejvýznamnější komponenty z hlediska hmotnosti jsou sklo (63 %) a hliníkový rám
(22 %). Jejich recyklace je dnes zcela běžná, recyklovatelnost se blíží 100 %.
Naopak plastové materiály téměř nelze recyklovat. Recyklace skla snižuje spotřebu
energie na jeho výrobu asi o 40 %, v případě hliníku dokonce o 95 %. Jsou však
nabízeny i panely bez hliníkového rámu. Recyklace těžkých kovů je z hlediska
spotřeby materiálů a energií srovnatelná s výrobou z primárních surovin. Tyto
materiály jsou recyklovány z důvodu ochrany životního prostředí - jsou toxické.
Samotné fotovoltaické články jsou nejvýznamnější položkou jak z hlediska ceny, tak
z hlediska spotřeby energie na výrobu panelu, přestože jejich hmotnost je
zanedbatelná. Na konci životnosti panelu jsou přitom články v podstatě nezměněny.
Termická recyklace
Z hlediska připravenosti pro praktické použití je nejpokročilejší metodou recyklace
panelů termický proces navržený Deutsche solar AG, pro který již existuje
demonstrační jednotka průmyslové velikosti.
160
Metoda je použitelná pro většinu stávajících panelů a článků. Recyklační proces je
náročný na energii a ruční práci, lze však vytěžit až 85 % křemíkových desek a tím
snížit spotřebu energie na výrobu nových panelů až o 70 %.
Obr. 5.21. Třídění surovin při termické recyklaci
Konstrukční úpravy
Cílem konstrukčních úprav je usnadnit demontáž celých plně funkčních článků na
konci životnosti panelu. Na rozdíl od termické metody, kde výstupním produktem jsou
křemíkové desky po odleptání funkčních vrstev původního článku. Jsou navrhovány
metody zapouzdření článků bez laminace nebo dvojité zapouzdření s mezivrstvou,
která má nízkou přilnavost k článkům - metoda DEM (Double Encapsulated Module).
U metody DEM jsou články před laminací zapouzdřeny do silikonu, který má
srovnatelný index lomu jako EVA, ale nízkou adhezi k článkům. Dodatečné vrstvy
snižují účinnost v nejlepších případech o 3 %.
161
Obr. 5.22. Odlupování EVA a mezivrstvy při demontáži panelu
Recyklace fotovoltaických systémů a zejména článků by mohla přispět k výraznému
zkrácení energetické návratnosti, viz následující tabulka.. Obě uvedené metody však
byly navrženy pro články o tloušťce 200 až 270 µm, jejich použitelnost pro články
menších tloušťek je problematická. Tenkovrstvé články jsou výrazně náchylnější na
mechanické poškození, v důsledku klesá výtěžnost recyklovaných článků.
Ze surovin
TR
mcSi
sc-Si
mcSi
Výroba a rafinace křemíku
2250
2250
MJprm/m2
Krystalizace a řezání
1000
2550
MJprm/m2
Celkem řezy
3250
4800 760
760
MJprm/m2
Výroba článků
600
550
550
MJprm/m2
Celkem článků
3850
5350 1360
1310 300
300
MJprm/m2
Celkem panely
4200
5700 1710
1660 650
650
MJprm/m2
Změna účinnosti panelu
-
-
-
-
-4
-4
%
Výkon panelu
130
140
130
140
126
136
Wp/m2
na 408
554
166
161
63
63
kWh/m2
Spotřeba
elektřiny
600
162
DEM
sc-Si
mcSi
sc-Si jendotka
výrobu
Energie vyrobená panelem
117
126
117
126
113
122
kWh(m2rok)
EPBT
3,49
4,40
1,42
1,28
0,56
0,52
Roky
1060
1010 MJprm/m2
-3,51
3,78
kWh(m2rok)
Rozdíl spotřeby elektřiny
-103
-98
kWh/m2
Návratnost DEM vzhledem
k TR
29
26
Roky
Úsporná energie oproti TR
Rozdíl výroby energie
0
0
Předpoklady:
Spotřeba energie na kompletaci panelů 350kWh/m
2
Je uvažována 35% účinnost při přepočtu energie z primárních zdrojů na elektřinu
Tab. 5.5. Porovnání energetické náročnosti metod recyklace s přímou výrobou ze
surovin
Výroba elektřiny panelem 900Wh/(Wp.rok)
Bezpečnost a požární bezpečnost fotovoltaických systémů
Bezpečnost instalace fotovoltaických zařízení je stále aktuálnějším tématem i v
Česku. Doposud zde sice fotovoltaika není tak rozšířena jako např. u našich
německých sousedů, nicméně i u nás se toto téma objevuje v médiích, zejména v
případě požárů těchto instalací. Jak přistupovat k bezpečnosti domovních (střešních)
instalací?
Na téma bezpečnosti fotovoltaické instalace jako systému je nutné pohlížet z více
vzá­jemně úzce souvisejících pohledů:
Statické hledisko – stabilita a odolnost samotné instalace, ale i v soustavě se
stře­chou, na které se nachází.
Požárně-bezpečnostní hledisko – vlastní bezpečnost instalace, případné riziko
zvýšeného požárního zatížení střechy, rizika při požáru pro zasahující bezpečnostní
složky.
Investiční hledisko – kromě výše uvedeného se zaměřením na bezpečnost výnosu,
tzn. provozní spolehlivost.

Statická bezpečnost
Fotovoltaická instalace je pro současné konstrukce přitěžující prvek. Nové přitížení je
tvořeno hmotností vlastní instalované technologie, ke které je třeba často připočítat
změněné působení zatížení větrem a sněhem. Zejména v blízkosti okrajů střechy má
na instalaci velký vliv proudění větru, a to nejen směrem dovnitř (tlak), ale také od
163
střešní roviny (sání). Nezanedbatelné je také riziko změny sněhových poměrů na
střeše. Instala­ce může vést k tvorbě závějí.
S ohledem na komplikovanost případné opravy střechy v období životnosti
fotovoltaické elektrárny (FVE ) je vhodné střešní krytinu, či dokonce nosnou
konstrukci opravit před realizací elektrárny.
Již při plánování je třeba pečlivě vybírat použité komponenty a dbát na jejich
únosnost, technické řešení, kvalitu použitých materiálů a zpracování s ohledem na
předpokládanou životnost, místo a způsob instalace.
Rám modulu nejběžnější technologie založené na křemíkových článcích je zpravidla
tvořen hliníkovým profilem a má za úkol chránit a držet vlastní kompozit ze skla,
článků a krycí fólie. Tuhost rámu je důležitá jak pro ochranu při dopravě a instalaci,
tak zejména z důvodu instalace na střechu. Rám (stejně jako celý modul, tudíž i FV
instalace) musí odolat teplu, mrazu, vodě, sněhu, ledu, větru či jiným náhodným
zatížením. To vše musí zvládnout po dobu minimálně dvacetileté životnosti v různých
vzájemných kombinacích a cyklech. Je proto vhodné vyhnout se rámům již na pohled
vetchým, s rohovými plastovými spoji či jen slisovanými dohromady. Stejně tak
nejsou vhodné rámy z dutých profilů, kde zatékající a následně zmrzlá voda může
takovýto rám během několika let zničit.
Svrchní (krycí) sklo chrání a nese fotovoltaické články. Důležitým parametrem je jeho
únosnost, a to ve směru jak tlaku, tak sání. Hodnota 2 400 kPa, vlastní některým
levnějším modulům, není pro všechny oblasti ČR vyhovující. V případě střešních
instalací to platí ještě více vzhledem k možnosti nejen normového zatížení, ale i
případných návějí, závějí či v opačném směru turbulentního proudění vzduchu a z
toho plynoucího sání ze­jména v oblasti okrajů či rohů střechy. Pouze ti výrobci, kteří
vyžadují nejvyšší kvalitu vý­roby a výrobků samotných, vyprodukují velmi výkonné,
robustní a hlavně bezpečné solární moduly. U modulů je obzvláště důležité
vyžadovat standardní či nejlépe nadstandardní certifikace. Odolnost svých výrobků
proti vlivům, kterým jsou moduly v reálném prostředí vystaveny, renomovaní výrobci
prověřují nad rámec podmínek standardních testů. Například modul PowerPlus,
vyráběný společností Conergy, vedoucím výrobcem solárních panelů a systémovým
dodavatelem fotovoltaických komponent, úspěšně absolvoval zkoušku odolnosti proti
kroupám o průměru 55 mm s dopadovou rychlostí 120 km/h. Dopadová energie při
těchto parametrech byla tedy oproti stan­dardnímu testu přibližně 23× větší!
Pozornosti by neměl uniknout ani zpravidla neviditelný nosný systém kotvený do
podkladu střechy. Kromě mechanické odolnosti pro dostatečné zatížení v místě a
odolnosti proti vlivům koroze je nutné zvážit (zejména u střech s jinou krytinou než
taškami) volbu a řešení detailů a vyloučit případné zatékání, které může kromě
nepohodlí uživatele domu po určité době vést i k vážnému porušení statiky střechy.

Požární (ne)bezpečnost
164
Ačkoliv nás média zásobují různými více či méně objektivními informacemi, nelze
popřít, že fotovoltaická zařízení jsou pro stavbu potenciálním nebezpečím z hlediska
možné příčiny požáru a mohou ohrožovat osoby zasahující proti požáru v objektu s
fotovoltaikou, ať už je příčina požáru jakákoliv.
Riziko vzniku požáru FV zařízení lze velkou měrou snížit výběrem komponent a
perfektním provedením vlastní instalace. V případě vadného či nekvalitního výrobku
nebo chyby v montáži může požár způsobit v podstatě každá část instalace: modul,
stejnosměrné rozvody (DC), měnič, vedení střídavé části (AC) či rozvaděč.
Co se týče modulů, rizikem je nekvalitní zpracování modulu, zejména nepřesnosti v
kladení článků. Jejich vzájemný kontakt může způsobit přehřívání v místě styku a
poté může vzplanout podkladová fólie. Vzplanout při zátěži může i nevhodně
technicky a materiálově řešená přípojnicová krabice. Zde je vhodné trvat na krabici s
vyřešeným systémem větrání, která nejen že podstatně sníží riziko požáru, ale má
také pozitivní vliv na výkon celého systému.
Kabelové trasy stejnosměrného vedení je vhodné vést v nehořlavých chráničkách, v
ideálním případě odděleně kladné a záporné, či v kabelovém žlabu s oddělovací
pře­pážkou. Minimálně pro části vedení vystavené vlivům počasí (vlhkost, změny
teplot, UV záření) je třeba trvat na použití velmi kvalitních kabelů určených právě pro
tyto účely. Vedení, které vzhledem ke zvýšenému odporu a následnému přetavení v
daném místě může způsobit elektrický oblouk a následný požár, může být
poškozeno při instalaci i při provozu. Ve zvýšené míře je proto nutné dbát na jeho
správný návrh a provedení s ohledem např. na ostré hrany, hořlavé materiály či plán
údržby apod. Bezpečnost vedení ovlivňuje také výběr konektorů a jejich pečlivé
zapojení. Špatně zapojený či časem samovolně uvolněný konektor je stejným rizikem
jako poškozené vedení. Vhodným výběrem vodotěsných konektorů s pojistkou proti
samovolnému uvolnění lze toto riziko v podstatě vyloučit. U měničů je nutné dodržet
doporučení výrobce, zejména co se týče umístění měniče a prostoru v jeho blízkosti.
Zpravidla jsou předepsány vzdálenosti od případných překážek z důvodu chlazení.
Je vhodné toto zařízení umístit v poloze chráněné proti vlivům počasí (déšť, slunce),
přestože většina výrobků má krytí IP65 určené pro umístění ve venkovním prostředí.
Umístění v chráněném, chladném a stinném prostředí má jednoznačně pozitivní vliv
na výkon a životnost zařízení či jeho částí.
Při požáru objektu s nainstalovanou FV výrobnou plyne riziko pro zasahující osoby
zejména z toho, že fotovoltaické moduly energii produkují na základě míry osvitu a
toto zařízení nelze odpojit otočením jednoho vypínače. Vhodným řešením v této
situaci je instalace tzv. protipožárního spínače ke každému stringu (soustavě sériově
propojených modulů) co nejblíže fotovoltaickým modulům. Spínače jsou tak zapnuty
jen při odběru na straně AC. V případě odpojení elektrické přípojky objektu při
zásahu se díky tomuto opatření všechny stringy odpojí, a vedení za spínači tak dále
není zdrojem nebezpečí.

Provozní bezpečnost a spolehlivost
165
Je ovlivněna souborem již zmíněných faktorů mechanické a požární bezpečnosti, k
nimž se připojuje hledisko vlastního výkonu elektrárny. Výkon elektrárny v průběhu
celého roku přímo závisí na parametrech jednotlivých zařízení, na účinnosti modulů,
jejich charakteristice ve vazbě na míru osvětlení, na teplotě, ale také na dimenzování
(průřezu) kabeláže, účinnosti a pracovních rozsazích měničů.
Pro minimalizaci ztrát způsobených případnými výpadky FVE i při dodržení
uvedených doporučení je vhodné do systému zařadit prvek monitoringu celého
zařízení. V sou­časnosti jsou na trhu běžně dostupné systémy, např. VisionBox
společnosti Conergy, umožňující sledovat chování elektrárny téměř v reálném čase,
třeba v patnáctiminutových intervalech. Vlastník či správce elektrárny je díky systému
VisionBox informován zprávou SMS, e-mailem či faxem o případném výpadku či
anomáliích ovlivňujících výrobu elektrické energie. Navíc může bez zbytečné
prodlevy reagovat zajištěním okamžitého servisního zásahu, který zabrání ztrátám
výnosu. Podle údajů v systému lze také jednoduše na dálku analyzovat problém a
přizpůsobit jeho řešení vlastní zásah. Dobrý monitorovací systém je zpravidla
schopen archivovat data od počátku zapojení elektrárny, a lze tak porovnávat a
kontrolovat denní, týdenní, měsíční či roční výnosy. Zmíněný VisionBox poskytuje
mimo jiné i aplikaci pro iPhone; pohledem do aplikace tak může majitel svou FVE
neustále kontrolovat. Na spolehlivost provozu má vliv i péče o instalaci. Nejen z
hlediska výnosu je výhodné např. v zimě uklízet sníh, ale také pravidelně (alespoň
jednou ročně) prohlížet celé zařízení. Lze tak předejít poruchám a výpadkům, ale
také větším škodám jak na vlastní elektrárně, tak na prostředí, ve kterém se nachází.

Bezpečnost fotovoltaických systémů z hlediska právních předpisů a
technických norem.
Podmínky pro výstavbu a bezpečný provoz fotovoltaických aplikací v České
republice upravuje množství právních předpisů. Velký význam má zejména
energetický zákon, dále zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů, stavební
zákon, vyhláška o obecných požadavcích na využívání území, vyhláška o
podrobnější úpravě územního řízení a veřejnoprávní smlouvy, zákon o požární
ochraně, vyhláška o požární prevenci, vyhláška o technických podmínkách požární
ochrany staveb, nařízení vlády, kterým se stanovují technické požadavky na
elektrická zařízení nízkého napětí.
Na uvedené právní předpisy navazuje také několik českých technických norem, které
vymezují podrobné technické podmínky vztahující se k bezpečnému provozu
fotovoltaických systémů. Jsou to zejména ČSN 33 2000-7-712, ČSN EN 61215, ČSN
IEC 755, ČSN EN 60439-1 ed. 2 + Z1, ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, ČSN 73 0804.
Pozn.: Na tomto místě je třeba upozornit na skutečnost, že pro fotovoltaické systémy
nelze využívat ČSN 73 0848 Požární bezpečnost staveb, Kabelové rozvody, protože
se tato norma na výrobny elektřiny nevztahuje.
Podmínky požární bezpečnosti pro umísťování a navrhování fotovoltaických systémů
166

Umísťování fotovoltaických systémů
Při umísťování fotovoltaických systémů v území je třeba vycházet z obecných
ustanovení stavebního práva. Tyto stavby nelze umístit v nezastavitelném území,
neboť nejde o veřejnou technickou infrastrukturu, a v důsledku toho není možné při
posuzování zá­měru využít např. ustanovení § 18 odst. 6 stavebního zákona.
Následně se uplatní postup podle zákona o požární ochraně a předpisů vydaných k
jeho provedení, které stanovují, že stavba fotovoltaického systému musí být ve
smyslu podrobností uvedených v § 2 odst. 1 vyhlášky č. 23/2008 Sb. umístěna tak,
aby podle druhu splňovala technické podmínky požární ochrany zejména na:


odstupové vzdálenosti a požárně nebezpečný prostor,
přístupové komunikace a nástupní plochy pro požární techniku.
V případě umístění ostrovního či síťového fotovoltaického systému na volném
prostranství lze tato zařízení z hlediska již uvedených předpisů a v souladu s ČSN 73
0804 považovat za otevřené technologické zařízení, od kterého je stanovena
minimální odstupová vzdálenost 6,5 m, popř. se stanoví na základě podrobného
výpočtu.
Pro účinný a bezpečný zásah jednotek požární ochrany se stavby a nástupní plochy
pro požární techniku ve smyslu ustanovení § 12 a přílohy č. 3 vyhlášky č. 23/2008
Sb. navrhují:



s vjezdy pro požární techniku o minimální šířce 3,5 m a výšce 4,1 m, jde-li
o prostory obestavěné, ohrazené nebo jiným způsobem znepřístupněné,
se smyčkovým objezdem nebo plochou umožňující otáčení vozidla v
případě ne­průjezdných jednopruhových přístupových komunikací delších
než 50 m,
4 m od hranice ochranného pásma takovým způsobem, který umožňuje
příjezd a pro­vedení zásahu mimo ochranné pásmo.
167
Obr. 5.23. Pohled na ohněm zničené FV panely
Zde je však třeba vzít v úvahu rovněž ustanovení § 2 odst. 2 písm. a) bod 20
energetic­kého zákona, že každé energetické zařízení sloužící pro přeměnu různých
forem energie na elektřinu, zahrnující všechna nezbytná zařízení (např. elektrické
stanice), je považová­no za výrobnu elektřiny, která musí být chráněna ochranným
pásmem, přičemž:


ochranné pásmo výrobny elektřiny je vymezeno svislými rovinami
vedenými ve vodorovné vzdálenosti 20 m kolmo na oplocení nebo na
vnější líc obvodového zdiva elektrické stanice (§ 46 odst. 7 energetického
zákona),
ochranné pásmo vzniká dnem nabytí právní moci územního rozhodnutí o
umístění stavby nebo územního souhlasu s umístěním stavby; jestliže
není podle stavebního zákona vyžadován ani jeden z těchto dokladů,
vzniká ochranné pásmo dnem uvedení zařízení elektrizační soustavy do
provozu ( § 46, odst. 1).
Největším problémem při umísťování fotovoltaických systémů jsou tzv. dodatečné
in­stalace zejména síťových systémů na již existujících objektech, které jsou
považovány za technická zařízení stavby, jsou domovním (vnitřním) technickým
zařízením. Podle sta­noviska ministerstva pro místní rozvoj je možné takové
instalace podle ( § 103 odst. 1 písm. b bod 20) posoudit jako záměr, který pro svoji
realizaci nevyžaduje stavební povolení ani ohlášení stavebnímu úřadu. V takovém
případě by mohla být za určitých okolností porušena právní jistota zatížením
168
sousedních staveb a pozemků věcným břemenem v podobě nově vzniklého
ochranného pásma výrobny elektřiny (bez vědomí a souhlasu jejich vlastníků) a také
ohrožen život či zdraví zasahujících hasičů.

Navrhování fotovoltaických systémů
Při navrhování fotovoltaických systémů je třeba vycházet z obecných ustanovení
stavebního zákona, a to z tohoto pohledu: Pro stavbu mohou být navrženy a použity
jen takové výrobky, materiály a konstrukce, jejichž vlastnosti z hlediska způsobilosti
stavby pro navržený účel zaručují, že stavba při správném provedení a běžné údržbě
po dobu předpokládané existence splní požadavky na mechanickou odolnost a
stabilitu, požární bezpečnost, hygienu, ochranu zdraví a životního prostředí,
bezpečnost při udržování a užívání stavby, včetně bezbariérového užívání stavby,
ochranu proti hluku a na úsporu energie a ochranu tepla.
Fotovoltaické systémy a jejich komponenty (např. moduly, rozvodnice, měniče,
zdroje a rozvodnice se spínacími přístroji) jsou podle nařízení vlády č. 17/2003 Sb.
výrobky stanovené k posouzení shody. Některé typy těchto elektrických zařízení jsou
však vyráběny za účelem trvalého zabudování do stavby. V důsledku toho musí
svým provedením vyhovovat určenému účelu použití, a splňovat tedy i základní
požadavky stanovené směrnicí Rady 89/106/EHS pro stavební výrobky.
Při vlastním navrhování fotovoltaických systémů se při zpracování požárně
bezpečnostního řešení vychází z požadavků zvláštních právních předpisů,
normativních požadavků a z podmínek vydaného územního rozhodnutí. V této
souvislosti je třeba upozornit na určitou diskrepanci některých ustanovení stavebního
zákona a energetického zákona, které by mohly činit nejen při navrhování požární
bezpečnosti fotovoltaických systémů potíže.
Je třeba mít na zřeteli, že i když podle § 103 odst. 1 písm. b) bod 4 stavebního
zákona zařízení, která jsou součástí nebo příslušenstvím energetické soustavy,
nevyžadují stavební povolení ani ohlášení stavebnímu úřadu, vlastní stavby
energetické soustavy (buď jako celek, nebo části schopné samostatného užívání)
však jednoznačně vyžadují územní rozhodnutí v souladu s § 92 nebo v některých
případech územní souhlas v souladu s § 96 stavebního zákona. Jde totiž o stavby,
které nejsou vymezeny v taxativním výčtu staveb a zařízení nevyžadujících podle §
79 odst. 3 téhož zákona rozhodnutí o umístění stavby ani územní souhlas. Celá
situace je komplikována zejména tím, že stavební ani energetický zákon pojmy
energetická soustava, příslušenství a součást nedefinují.
Z výše uvedeného lze ale dovodit, že současné pojetí § 103 odst. 1 písm. b) bod 4
sta­vebního zákona v kontextu s požadavky § 92 (§ 96) umožňuje doplnit stavbu (v
tomto případě energetickou soustavu, její část elektrizační soustavu) o prvek, který je
její součástí či příslušenstvím, avšak z hlediska tohoto zákona musí být v souladu s
podmínkami rozhodnutí o umístění stavby, popř. s územním souhlasem.
169
Složitější situace nastává při navrhování ostrovních systémů nebo síťových systémů
na parcele rodinného domu nebo na jeho střeše. Z tohoto pohledu jde rovněž spíše o
problematiku stavebního práva, které upravuje tuto věc dvěma způsoby:


v rámci plochy pro bydlení není možné bez změny územního plánu
umísťovat zařízení, jako je sluneční elektrárna, s větší kapacitou, než
vyžaduje povolovaný rodinný dům,
je-li plocha územním plánem určena pro bydlení, mohou na ní být v
souladu s územněplánovací dokumentací umísťovány pouze kolektory pro
ohřev vody nebo přitápění, popř. fotovoltaické panely pro výrobu elektrické
energie pouze v tom případě, že slouží výlučně pro navržený dům a jsou
umístěny na něm nebo na jeho pozemku.
Při umísťování fotovoltaických systémů na střechách objektů je také nutné posoudit,
zda střešní plášť, konstrukce fotovoltaického systému a systém ochrany před
bleskem vy­hovují technickým podmínkám vyhlášky č. 23/2008 Sb. Fotovoltaické
moduly musí zá­roveň být instalovány tak, aby byl zajištěn odvod tepla při
maximálním slunečním osvitu v daném místě.
Obr. 5.24. Požárem poškozené FV panely
Pro ochranu FV musí být dodrženy pokyny výrobce a napájecí vodič musí mít na
straně AC hlavního přívodu přístroje pro ochranu proti proudovému přetížení a
zkratu. U foto­voltaického měniče napětí musí být na straně DC instalován
odpojovač. Rozvodná zařízení elektrické energie a hlavní vypínače elektrického
proudu musí být označeny ve smyslu podrobností uvedených v ustanovení § 11 odst.
2 písm. f) vyhlášky o požární prevenci. Všechny rozvaděče (fotovoltaické zdroje,
170
fotovoltaická pole) musí být také označeny štítkem oznamujícím, že části uvnitř
rozvaděčů mohou být živé ještě po odpojení fotovoltaického měniče napětí.

Požární ochrana provozovaných fotovoltaických systémů
Z hlediska požární ochrany jsou fotovoltaické systémy a aplikace problematické
zejména z důvodů ztížené dostupnosti pro jednotky požární ochrany (odlehlé
ostrovní systémy ve volné přírodě nebo síťové systémy na střechách objektů) a
ztížených podmínek pro zá­sah (stejnosměrnou část fotovoltaických systémů nelze
vypnout, jde o zásah pod napětím a v ochranném pásmu). Měnič napětí s
odpojovačem se v instalaci fotovoltaické výrobny elektřiny umisťuje tak, aby
stejnosměrná část rozvodu, která zůstává pod stálým napětím, byla co nejkratší.
Střešní nebo fasádní instalace fotovoltaických panelů nesmí svým provedením
znemožňovat odvětrání objektu či prostoru, omezit provoz, opravy a údržbu
spalinových cest, ani bránit přístupu jednotek požární ochrany při zásahu.
Vzhledem k tomu, že většina standardně vyráběných fotovoltaických panelů
obsahuje pouze minimální množství hořlavých hmot, lze je jako zdroj vzniku požáru
téměř spolehlivě vyloučit. Jedinými hořlavými součástmi fotovoltaických systémů jsou
připojovací boxy, propojovací konektory a propojovací kabely (izolace), na jejichž
uhašení v prvopočátku většinou postačí přenosný hasicí přístroj určený k hašení
zařízení pod napětím (např. práškový nebo CO2), který musí být umístěn v každém
novém rodinném domě; jednotky požární ochrany mají tyto věcné prostředky rovněž
ve standardní výbavě.
Fotovoltaické panely jsou také charakteristické tím, že s rostoucí teplotou ztrácejí
velmi progresivně výkon. Při běžné teplotě požáru nemají již téměř žádný výkon.
Navíc jsou fotovoltaické panely povinně vybaveny před vstupem DC do měniče
(střídače) napětí pojistkovým odpojovačem. Fotovoltaické zařízení musí být i přesto
na straně DC považováno vždy za činné, přestože je odpojeno od strany AC.
Ze současných statistik vyplývá, že v praxi vznikají spíše požáry fotovoltaických
výroben elektřiny způsobené závadou v rozváděcích nebo měničích napětí a
vnějšími vlivy. Jde zejména o požáry ostrovních fotovoltaických systémů umístěných
v přírodním prostředí, způsobené atmosférickými výboji anebo požáry okolních
prostorů. Vzhledem k tomu, že fotovoltaické panely se pro dosažení maximálního
osvitu umísťují v polích vzdálených od sebe minimálně 3 m, lze přenesení požáru z
hořící řady panelů na řadu panelů sousedních téměř vyloučit. Jestliže by nastal požár
fotovoltaické výrobny elektřiny z důvodu vnějších vlivů, je vždy účelné bránit jeho
rozšíření a požárem napadené panely nechat vyhořet. Pro hašení požárů pod
napětím platí pro jednotky požární ochrany Me­todický list č. 14 kapitoly N Bojového
řádu jednotek požární ochrany (rok 2001), kde je v odst. 15 písm. d) a e) stanoveno,
za jakých podmínek může být tento zásah prováděn. Hašení pod napětím do 1 000 V
je v současné době běžnou praxí.
Jako další možností využití solární energie je využití ohřevu teplé vody a to ať už na
ohřev teplé užitkové vody nebo na vytápění.
171
Termické solární systémy
Princip systémů, které využívají sluneční záření k ohřevu vody, není nijak složitý.
Nejnápadnější částí systému jsou sluneční kolektory, které můžeme vidět na střechách domů. Jejich úkolem je pohltit co největší množství sluneční energie pro další
využití v domě. V kolektorech se ohřívá pracovní kapalina (nejčastěji nemrznoucí
směs). Ta je odváděna potrubím a získané teplo předává prostřednictvím tepelného
výměníku vodě, kterou chceme ohřát. Její množství záleží na celkové ploše
kolektorů, to znamená na jejich počtu.
Další klíčovou součástí systému je zásobník vody. Nejčastěji se jedná o tlakovou
nádobu (bojler), v níž se voda ohřátá od pracovní kapaliny skladuje do doby použití
(praní, koupání, mytí nádobí). Objem zásobníku se odvozuje od denní spotřeby teplé
vody. Z důvodu předzásobení pro neslunečné období je velikost zásobníku
navrhována na jeden a půl až dvojnásobek této spotřeby.
Dále k systému patří ve většině případů malé čerpadlo zajišťující oběh pracovní
kapaliny mezi kolektory a tepelným výměníkem a několik hydraulických prvků (ventily, expanzní nádoba), které jsou nezbytné pro bezporuchový provoz.
Aby systém fungoval optimálně a bez obsluhy, bývá standardně vybaven jednoduchou automatickou regulací. Regulace musí především zajistit, aby pracovní kapalina necirkulovala ve chvíli, kdy je chladnější než voda vzásobníku (například v
noci), a zbytečně tak ohřátou vodu neochlazovala.
Nevýhodou slunečního ohřevu vody je skutečnost, že systém není schopen dodávat
požadované množství teplé vody v průběhu celého roku. Z tohoto důvodu je
nezbytné doplňovat systémy s celoročním provozem o přídavný zdroj tepla, jehož
výkon nezávisí na slunečním svitu a který pomáhá ohřívat vodu, když energie Slunce
nestačí. Často je využíváno elektrické dohřívání vody v zásobníku, rozšířené jsou
rovněž systémy, které k dohřevu využívají teplo z kotle ústředního topení

Určení směru dopadu na orientovanou plochu kolektoru
Směr dopadu slunečních paprsků je dán vzájemnou polohou Slunce nad obzorem a
osluněné plochy. Zatímco u osluněné plochy se zpravidla jedná o stálou polohu
danou její orientací ke světovým stranám a úhlem sklonu, poloha Slunce se mění v
závislosti na denní a roční době. Poloha Slunce je dána jeho výškou nad obzorem h
(°) a jeho azimutem γs (°). Pro tyto dva úhly platí vztahy:
sin h = sin δ sin θ + cos δ cos θ cos ω
sin γs = (cos δ / cos h) sin ω
kde
δ je sluneční deklinace, tj. zeměpisná šířka, kde v daný den ve 12 h v poledne je
Slunce kolmo nad obzorem (°)
θ zeměpisná šířka (°)
172
ω časový úhel v obloukových stupních, měřený od 12. hodiny v poledne (°) (jedné
hodině odpovídá úhel 15°)
Azimut slunce γs se měří od směru jih ve smyslu otáčení hodinových ručiček jako
kladná hodnota (+) a ve smyslu proti otáčení hodinových ručiček jako záporná
hodnota (-). Vyplývá to ze způsobu měření časového úhlu ω, pro hodiny po 12.
hodině v poledne se měří jako kladná hodnota (+) a pro hodiny před 12. hodinou v
poledne jako záporná hodnota (-).
Sluneční deklinace se během roku mění, pro každý den má jinou hodnotu. Sluneční
deklinace δ (°) pro libovolný den v roce se vypočítá ze vztahu:
δ = 23,45° sin (0,98° D + 29,7° M - 109°)
kde
D je pořadí dne v měsíci (-)
M je pořadí měsíce v roce (-)
Pro běžné výpočty většinou stačí jediná hodnota δ pro celý měsíc. Počítá se s
deklinací pro tzv. charakteristický den v měsíci (volí se 21. den v měsíci), pro něž se
pak počítají všechny parametry určující polohu slunce nad obzorem a také intenzita
záření. Intenzita slunečního záření vypočítaná pro charakteristický den v měsíci se
pak považuje za průměrnou hodnotu pro celý příslušný měsíc. Tento postup je
vyhovující při výpočtech, pro něž jsou k dispozici i ostatní klimatické faktory jen jako
průměrné měsíční hodnoty.
Úhel dopadu slunečních paprsků θ (°) je úhel, který svírá normála osluněné plochy
se směrem paprsků. Při známé výšce Slunce nad obzorem h a známém azimutu
slunce γs lze určit úhel dopadu slunečních paprsků θ na obecně orientovanou a
skloněnou plochu ze vztahu
cos θ = sin h cos β + cos h sin β cos (γs- γ)
kde
β je úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny (°)
γ azimutový úhel normály osluněné plochy měřený stejně jako azimut slunce
(°)
173
Obr. 5.25. Geometrie slunečního záření
Přímé a difúzní sluneční záření
Sluneční záření dopadající na určitou plochu lze rozdělit na dvě složky: přímé
sluneční záření a difúzní sluneční záření. Přímé sluneční záření se vyznačuje
mnohonásobně vyšší intenzitou v jednom směru než v ostatních, zatímco difúzní
sluneční záření má intenzitu ve všech směrech stejnou (izotropické). Prakticky to
znamená, že přímé sluneční záření je oproti difúznímu značně závislé na úhlu
dopadu paprsků.
Intenzita slunečního záření na plochu kolmou ke směru paprsků (W/m 2)
Gbn = Go exp (-Z / ε)
kde
Go je sluneční konstanta (1367 W/m2)
Z součinitel znečištění atmosféry (-)
ε součinitel závislý na výšce slunce nad obzorem a na nadmořské výšce
daného místa (-)
Intenzita přímého záření na obecně položenou plochu (W/m2) je dána vztahem:
Gb = Gbn cos θ
Difúzní záření vzniká v atmosféře rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky
prachu a mraky. K difúznímu záření se počítá i část přímého záření, která se odrazí
od okolních ploch (odražené sluneční záření). Intenzitu difúzního záření (W/m 2) lze
přibližně vypočítat
Gd = 0,5 (1+cos β) Gdh + 0,5 r (1-cos β) (Gbh+Gdh)
174
kde
β je úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny (°)
r reflexní schopnost okolních ploch pro sluneční paprsky (r = 0,15 – 0,25)
(-)
Gbh intenzita přímého slunečního záření na vodorovnou plochu (W/m 2)
Gdh intenzita difúzního slunečního záření na vodorovnou plochu (W/m 2)
Vztahy pro přímé a difúzní sluneční záření (W/m 2) dopadající na vodorovnou plochu
jsou:
Gbh = Gbn sin h
Gdh = 0,33 (Go - Gbn ) sin h
Intenzita celkového slunečního záření (W/m2) dopadající na obecnou plochu je dána
součtem obou složek:
G = Gb + Gd
Následující grafy ukazují celkovou intenzitu slunečního záření G působící na
vodorovnou a svislou plochu
Obr. 5.26. Intenzita celkového slunečního záření G (W.m-2) na vodorovnou plochu.
Přerušovanou čarou je zakreslen průběh intenzity difúzního záření GD v VI. a XII.
měsíci
175
Obr. 5.27. . Intenzita celkového slunečního záření G (W.m-2) na svislou plochu
orientovanou na jih. Přerušovanou čárou je zakreslen průběh intenzity difúzního
záření

Energie dopadající na osluněnou plochu
176
Teoreticky možné denní množství dopadající energie Hden, teor (kWh/m2) je možné
zjistit integrací intenzity slunečního záření G od východu do západu slunce, tedy za
dobu teoretické doby slunečního svitu τteor (h). Teoreticky možné množství energie
Hden, teor dopadá na osluněnou plochu jen ve slunečních dnech, kdy slunce svítí
nepřetržitě po celou teoreticky možnou dobu. Během dne se však střídá jasná obloha
s oblohou zataženou mraky, kdy dopadá jen difúzní záření.
Z klimatických údajů je možné za delší období (měsíc) zjistit skutečnou dobu
slunečního svitu τskut (h). Potom lze vyjádřit tzv. poměrnou dobu slunečního svitu τr=
τskut / τteor. Hodnoty poměrné doby slunečního svitu pro některá místa ČR jsou
uvedeny v tabulkách. Skutečné množství energie dopadající na osluněnou plochu za
den (kWh/m2) můžeme získat ze vztahu:
Hden= τr Hden, teor + (1- τr ) Hden, dif
Pro 50° severní šířky a s přípustnou přibližností pro celou ČR jsou hodnoty teoreticky
možného množství energie dopadajícího na den Hden, teor a hodnoty energie difúzního
záření dopadajícího za den Hden, dif tabelovány. Podobně jako skutečné množství
energie dopadající na osluněnou plochu za den Hden lze počítat skutečné množství
energie dopadající za měsíc Hměs (kWh/m2)
Hměs = n τr Hden, teor + n (1- τr ) Hden, dif = n Hden
kde
-n je počet dnů v měsíci (-)
Střední intenzita slunečního záření Gstř (W/m2)
Gstř = Hden, teor / τteor
kde
Hden, teor teoreticky možné množství energie dopadající na osluněnou
plochu za den (kWh/m2)
τteor teoretická doba slunečního svitu (h)

Rozdělení solárních termických systémů
Základní rozdělení solárních systému je na pasivní a aktivní. U pasivních systémů se
jedná o transformaci solární energie v tepelnou energii. Aktivní systémy se používají
k transformaci solární energie na tepelnou energii (fototermální přeměna) nebo
elektrickou energii (fotovoltaická nebo solárně termická přeměna).
Pasivní solární systémy
Možnosti pasivního využití solární energie
Každá budova využívá tepelnou energie ze svého okolí svojí urbanistickou,
architektonickou a stavebně konstrukční koncepcí. Účinnost využití slunečního
záření je při odlišných budovách rozdílný. Budovy, jenž se v co největší míře snaží
177
využívat sluneční energii pomocí čistě stavebních prostředků, se nazývají pasivní
heliotechnické budovy.
Pasivním solárním systémem lze nazvat jak celou budovu, tak pouze některé z jejích
částí. Transport energie se děje pouze přirozenou cestou, bez pomoci technických
zařízení. Energetická efektivnost pasivních solárních prvků budov je založena na
selektivní propustnosti tepelného záření transparentními materiály, na rozdílné
pohltivosti krátkovlnného záření a na omezení emisivity dlouhovlného záření
stavebními povrchy i na akumulaci tepla.
Zásady navrhování pasivních solárních systémů
Na severní nebo návětrnou stranu okna neumisťujeme, případně pouze malá. Zato
se snažíme využít tepelných zisků z jižního průčelí budovy, proto na tato průčelí
situujeme okna, příp. jiné prvky pasivních solárních systému. Členění budovy je
minimální. Dodržujeme zásady tepelného zónování v půdoryse a vytváříme
akumulační jádra budov. Využíváme vhodného stínění listnatými stromy. Bráníme
přehřívání interiéru v letním období.
Rozdělení solárních systémů
a) podle způsobu využití sluneční energie:



přímé (sluneční záření prochází přímo do místnosti přes zasklení)
nepřímé (sluneční záření se do místnosti dostává ve formě tepelné
energie vyzařované z akumulační stěny)
hybridní.
b) podle umístění v konstrukci:



prvky umístěné v obvodových stěnách orientovaných na jih
střešní prvky
přídavné prvky
178
Obr. 5.28. Trombeho stěna v zimní období
Obr. 5.29. Trombeho stěna v letní období
Při návrhu pasivních objektů využívající solárního záření se bere na vědomí umístění
budovy (např. vzhledem k světovým stranám, směru větru a jiné), tvar, využití termo
regulační funkce přírody.
V dnešní době existuje spousta pasivních solárních systémů. Trombeho stěna je
známý případ pasivního využití solární energie. Skládá se z masivních akumulačních
179
stěn, před kterou jsou umístěny skla. Mezi akumulační stěnou a sklem tak vzniká
vzduchová mezera.
Při návrhu objektů s pasivním využíváním solárního záření se bere v úvahu umístění
budovy (např. vzhledem ke světovým stranám a převládajícím směrům větru), tvar
budovy, využití termoregulační funkce zeleně, využití bariérových prvků (např.
stromy) apod. Vnější povrch je upraven tak aby dobře pohlcoval sluneční záření,
např. černou barvou. Teplo se tak může šířit do interiéru místnosti radiací nebo
přirozenou konvekcí přes otvory ve stěně, které by měly být uzavíratelné.
Nezasklený solární vzduchový kolektor Základem je tmavý, děrovaný trapézový
plech, jenž se umísťuje na fasádu ve vzdálenosti 2 - 4 cm od zateplené obvodové
stěny. Ventilátor odsává vzduch přes děrování a tím vytváří podtlak mezi fasádou a
plechem. Vzduch stoupá dutinou, ohřívá se a je dále rozváděn do místností přes
ventilační jednotku. Efektivita tohoto systému je i díky své jednoduchosti kolem 60%
a za ideálních podmínek můžeme zvýšit teplotu až o 20°C. Nejčastěji se tento
systém používá u průmyslových objektů, protože je potřeba jižně orientované střechy
bez oken.
Energetická střecha Jedná se o vzduchový kolektor zabudovaný do roviny střešní
konstrukce. Většinou se tento způsob kombinuje se stěnovým vzduchovým
kolektorem. Systém je vhodný zejména pro šikmé střechy s úhlem sklonu nejméně
30°.
Energetická fasáda Jsou to jednoduché kolektory, jejichž transparentní vrstvu tvoří
skleněná deska předsazená před normální fasádou objektu. Tento systém lze v zimě
používat pro vytápění a v létě je teplo odváděno přirozenou cirkulací z plochy fasády
a funguje jako klimatizace.

Aktivní solární systémy
Tento systém je založen na principu přeměňování sluneční energie na energii
tepelnou, která je následně přenášena z kolektorů teplonosnou látkou. Teplonosná
látka je buď kapalina, nebo vzduch. Obě mají své výhody a své nevýhody. Teplo
získané ze solárních kolektorů se skladuje v akumulačních nádržích umístěných
většinou v kotelně. Vhodně zvolená soustava je velice nenáročná na obsluhu a může
uspořit až 40 % energie pro vytápění či 40 - 70 % energie pro ohřev TUV. Solární
kolektory nelze použít jako hlavní a jediný zdroj energie a je nutné použít ještě
přídavný zdroj, který bude ohřívat potřebnou vodu v případě nízké sluneční aktivity
nebo při zvýšené spotřebě. Většinou se kombinuje akumulační nádrž spolu s
elektrickým bojlerem, který lze automaticky nastavit na požadovanou teplotu a ten si
sám reguluje výstupní teplotu. Při použití sluneční energie pro vytápění lze také
použít automatický kotel na plyn nebo elektrickou energii, kotel na biopaliva nebo
klasický krb.
180
Solární systém
Solární kolektory se ve většině případů používají o ohřívání teplé užitkové vody,
k ohřevu vody do bazénu či k vytápění obydlí. Je zřejmé, že kromě solárních
kolektorů je hybridní systém tvořen zásobníkem, výměníkem tepla, oběhovým
čerpadlem, expanzní nádobou, potrubím, izolacemi, regulačními prvky a podobně.
Tyto hybridní systémy se mohou lišit:
-
-
-
Dobou provozu
o Sezónní
o Celoroční
Počtem okruhů
o Jednookruhové
o Dvou okruhové
Použitou kapalinou a oběhem této kapaliny
o Nucený okruh
o Samotížný okruh
Vzhledem k tomu, že v našich zeměpisných šířkách, je sluneční záření značně
nestabilní bývá systém doplněn o další zdroj energie jako je například elektřina nebo
plyn, které slouží ohřevu kapaliny.
U sezónních hybridních soustav je teplonosná kapalina ve většině případů voda, u
celoročního provozu musí být použita nemrznoucí směs, která zároveň nesmí být
životu nebezpečná či ho ohrožující.
Na následujícím obrázku je schematický znázorněn typický nucený dvoukruhový
hybridní systém, který slouží k celoročnímu ohřevu teplé užitkové vody. Ohřátí
nemrznoucí kapalina nuceně proudí za pomocí čerpadla ze solárních kolektorů do
výměníků tepla, kde předávají získané teplo užitkové vodě a ochlazená kapalina
z výměníků se vrací zpět do kolektorů.
Účelem expanzní nádoby v tomto případě je vyrovnávání změnu objemu teplonosné
kapaliny v závislosti na změně její teploty. Většinou tyto systémy bývají řízeny
automatickou regulací na základě signálů z čidel umístěných na příslušných místech
systému.
181
Obr. 5.30. Dvouokruhový solární systém s nuceným oběhem

Vzduchové solární tepelné systémy
Teplonosnou látkou u těchto soustav je vzduch. Tyto systémy lze použít zejména pro
přitápění větších objektů nebo v zemědělství, jako přístroj pro sušení plodin. Tento
systém je méně využívaný z důvodů užití vzduchu jako teplonosné látky. Vzduch má
oproti kapalině menší měrnou tepelnou kapacitu c (J.kg-1.K-1) a malou objemovou
kapacitu cr (J.m-3.K-1).
V praxi se dá říci, že vzduch je asi 6 -10krát méně účinný než kapalina. Proto je
nutné odlišně dimenzovat celý systém, hlavně pak vedení musí být několikanásobně
větší pro zvětšení a zrychlení průtoku vzduchu. Velkou výhodou teplovzdušných
kolektorů je jejich dobrá výhřevnost i při nízké sluneční aktivitě. Protože teplonosná
látka může být ihned použita pro teplovzdušné přitápění místností nebo pro sušení.
Další nespornou výhodou je její finanční nenáročnost, vysoká účinnost i při nízkých
teplotách látky, která znamená velkou výhodu při použití pouze pro přitápění nebo
sušení ve větších objektech. Naopak nevýhoda je, že vlhkost vzduchu obsažená ve
vzduchu při proměnlivém počasí způsobuje kondenzaci par na vnitřních plochách
kolektorů. Také prach obsažený ve vzduchu se na vnitřní straně zasklení může
usazovat a zhoršovat účinnost kolektoru.

Kapalinové solární tepelné systémy
Tyto systémy používají jako teplonosnou látku nemrznoucí kapalinu. Tyto soustavy
se mohou rozdělit podle použití, provozních režimům, způsobu oběhu teplonosné
182
kapaliny, počtu okruhů či velikosti průtoků kapaliny. V této kapitole budou rozebrány
nejdůležitější typy těchto systémů.
Rozdělení podle použití:
Soustavy pro ohřev vody – tyto soustavy zajišťují pouze ohřev TUV nebo ohřev
vody v bazénu.
Soustavy pro přitápění nebo vytápění – soustavy využívané pro přitápění jsou
mnohem složitější. Nejčastěji se používají v kombinaci s ohřevem vody. Protože v
průběhu letních měsíců je nadbytečné teplo, které není potřebné k přitápění, využito
pro ohřev vody. Tyto systémy lze rozdělit do dvou skupin :
Soustavy s akumulací – teplo získané v kolektorech se ukládá do akumulačních
nádrží. V době potřeby je teplo získáváno z těchto akumulačních nádrží. Z tohoto
zařízení se teplo zužitkovává v období se sníženou nebo nulovou sluneční aktivitou.
Při správném návrhu soustavy lze získat maximální možnou energii ze slunce. Tato
soustava bude fungovat i při zhoršených světelných podmínkách a proto nebude
nutné tak často zapínat bivalentní energetický zdroj.
Nevýhodou jsou zatím stále velmi vysoké pořizovací náklady na soustavu, značná
prostorová náročnost (většinou je potřeba celá menší místnost), relativně velká
složitost soustavy a také závislost na vhodných meteorologických podmínkách.
Soustavy bez akumulace – tyto soustavy pracují bez jakéhokoliv akumulačního
zařízení, proto veškerá energie získaná ze slunce je okamžitě spotřebovávána.
Soustavy bez akumulačních nádrží jsou využívány hlavně v přechodných obdobích
(jaro, podzim). Při nedostačujících tepelných podmínkách se solární systém vypne a
jako hlavní zdroj energie se použije bivalentní systém (plynový kotel, tepelné
čerpadlo...). V letních měsících se tato soustava využívá pro ohřev vody v bazénu
nebo TUV. Výhody oproti soustavám s akumulační nádrží jsou nižší pořizovací
náklady a relativně vyšší účinnost v přestupných měsících, protože odpadají ztráty
způsobené přestupem tepla v akumulační nádrži. Hlavní nevýhodou je velice
nerovnoměrný tepelný zisk.
Rozdělení podle provozních režimů
Soustava se sezónním provozem – u těchto soustav se nepředpokládá využívání
v zimních měsících. V těchto systémech se využívají hlavně nejzákladnější a
většinou i nejlevnější systémy. Jako teplonosnou látku lze použít vodu. Kolektor je
napojen přímo na výměník, odkud do něj proudí studená voda a po ohřátí jde voda z
kolektoru zpět do výměníku. Jako příklad nejjednoduššího ohřevu lze použít solární
kolektor napojený na čerpadlo k bazénu. Voda se napřed přefiltruje přes pískový filtr
a místo toku do trysek voda proteče přes soustavu solárních kolektorů, kde se
ohřívá. Ohřátá voda se opět napojí na systém a proudí přímo do bazénu. Před
příchodem prvních mrazů je nezbytné celou soustavu odstavit a vypustit, aby
nedošlo k poškození systému mrazem.
183
Soustava s celoročním provozem soustava je koncipována pro provoz i během
zimních měsíců. Proto je nutné použít soustavu dvouokruhovou s výměníkem tepla a
nemrznoucí směsí v primárním okruhu.
Rozdělení podle počtu okruhů
Jednookruhové tyto soustavy nemají výměník tepla a kolektory jsou napojeny přímo
na spotřebič, to znamená, že energie jde přímo k zásobníku tepelné vody nebo do
podlahového topení. Jako teplonosnou látku používáme ve většině případů vodu.
Výhodou této soustavy je maximální možná účinnost přenosu tepla, menší pořizovací
náklady a jednoduchost. Nevýhodou je sezónní provoz.
Dvouokruhové primární okruh slouží k získávání tepelné energie ze Slunce. Ta je
dopravována do výměníku tepla, který ji předává sekundárnímu okruhu. Primární
okruh je obvykle napuštěn nemrznoucí teplonosnou kapalinou (tím je vyřešen
problém s celoročním provozem), sekundární okruh je většinou naplněn vodou. V
této soustavě je oddělena část výrobní a část spotřební. Což je důležité především u
soustav s akumulací slunečního tepla. Takto konstruované soustavy jsou
nejrozšířenější a to i přes jejich vyšší pořizovací náklady a menší účinnost.

Fototermální přeměna
Při fototermální přeměně dochází k transformaci energie slunečního záření v
tepelnou energii. Tato přeměna se uskutečňuje ve speciálně konstruovaných
zařízeních pro tento účel - v tzv. solárních kolektorech.
Obr. 5.31. Princip slunečního kolektoru
Sluneční kolektor pracuje na principu skleníkového efektu. Skládá se ze skla, rámu,
absorpční plochy a soustavy trubic s teplonosným médiem. Absorbér, který je uložen
pod průhlednou skleněnou deskou, zachycuje sluneční záření a přeměňuje ho na
teplo (dlouhovlnné záření). Z tohoto důvodu bývá absorbér opatřen vhodnou
povrchovou vrstvou (černou barvou nebo vhodným selektivním nátěrem-galvanickým
184
pokovením) za účelem zvýšení pohltivosti a omezení odrazivosti slunečního záření.
Vzniklé teplo je následně teplonosným médiem odváděno do místa okamžité
spotřeby nebo do akumulačního zásobníku.

Rozdělení solárních kolektorů
Hlavním kritériem rozdělení solárních kolektorů je z hlediska stupně koncentrace
slunečního záření, podle kterého se dělí kolektory:



bez koncentrace záření
se střední koncentrací záření (parabolické koncentrátory
s vysokou koncentrací záření (paraboloidy)
Kolektory bez koncentrace záření se podle tvaru dále dělí na:


ploché,
trubicové (se zataveným absorbérem ve vakuové trubici).
Podle teplonosné látky se rozdělují kolektory na:


kapalinové,
vzduchové.
Z hlediska zasklení mohou být kolektory:


bez zasklení (např. plastové absorbéry pro ohřev vody v bazénu),
se zasklením (jednovrstvé, vícevrstvé a strukturované).
Kromě výše uvedených kritérií se dále rozdělují kolektory podle typu absorbéru, tlaku
výplně (vakuum nebo atmosférický tlak), možnosti jejich natáčení (pevné nebo
pohyblivé) apod.
Plochý deskový kolektor:
Nejzákladnější solární kolektor, který se dá použít pouze pro sezonní vytápění nebo
pro ohřev vody v rekreačních objektech. Nedoporučuje se jej využívat jako celoroční
zdroj tepla pro ohřev vody, protože v zimních měsících je ochlazování skla okolím
natolik veliké, že slunce nedokáže ohřát kapalinu na požadovanou teplotu. Velmi
výhodný je zejména pro jednoúčelový ohřev vody do bazénu.
Výhody - velmi příznivá cena, vysoká účinnost v letních měsících
Nevýhody - nedokáže přijímat difúzní teplo, při poškození nutná výměna celého
kolektoru, nutno odebírat přebytečné teplo
185
Obr. 5.32. Plochý deskový kolektor
Plochý deskový vakuový kolektor:
Je o něco dražší a výkonnější než obyčejný deskový kolektor, díky své vakuové
vrstvě a borosilikátovému (transparentnímu) sklu má nižší energetické ztráty a dá se
tedy použít i při nižších teplotách. Navíc již dokáže přijímat v omezené míře difuzní
teplo, které hraje vysokou roli při zhoršených podmínkách.
Výhody - vysoká účinnost v letních měsících, schopnost částečně přijímat difuzní
teplo, schopnost pracovat i v zimě
Nevýhody - dražší než u předchozí model, poškozený kolektor je prakticky
neopravitelný, nutno odebírat přebytečné teplo
Obr. 5.33. Plochý deskový vakuový kolektor
Vakuový trubicový přímo protékaný kolektor (heatpipe):
Pro naše podmínky ten nejvýkonnější systém. Má velice malé tepelné ztráty a
dosahuje vyšší účinnosti během ranních a večerních hodin. Relativně vysokou
účinnost lze předpokládat i během zimních měsíců a díky nemrznoucí kapalině lze
tento systém používat i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Další výhodou je
snadná výměna trubic při poškození. Vakuové trubice se vyměňují bez nutnosti
186
systém odvzdušňovat a demontovat. Pouze se vysune poškozená samostatná
vakuová trubice a nahradí se novou. Hlavní nevýhoda je poměrně nízká účinnost v
letních měsících, ale s ohledem na to, že se kolektory používají převážně v
přechodných měsících, není tato nevýhoda až tak významná. Další nevýhodou je
vznik nedostatečného kontaktu (přenos) mezi heatpipe a sběrným potrubím, což se
může stát pří nekvalitní výrobě čí stárnutím kolektoru. Tím se nám výrazně sníží
efektivity kolektorů.
Výhody - vyrovnanější výkon, bezproblémová výměna naprasklých trubic, absorbuje
difuzní záření
Nevýhody – cena, nižší účinnost v letních měsících, nutná vysoká kvalita montáže
Obr. 5.34. Vakuový trubicový přímo protékaný kolektor
Vakuový trubicový kolektor (Upipe):
Má podobné vlastnosti jako heatpipe. Díky protékání primární nemrznoucí kapaliny
odpadá možnost špatného přenosu absorbovaného tepla z heatpipe do sběrného
potrubí. Při správném naddimenzování soustavy (nepřehřívání systému) jde o
celoročně nejúčinnější způsob získávání tepla.
Výhody – trubice se dají optimálně nasměrovat, regulace toku při vysokých
teplotách, výborně absorbuje difuzní záření
Nevýhody - nutná vysoká kvalita montáže, nejdražší z těchto kolektorů
187
Obr. 5.35. Vakuový trubicový kolektor
Nejčastější typ kolektoru je plochý a kapalinový kolektor. Jeho základními
stavebními prvky jsou absorbér, skříň, izolace a krycí sklo.
-
Absorbér - je vyroben z měděného plechu, k jehož zadní straně jsou připájeny
nebo nalisovány měděné trubice. Povrch absorbéru je upraven tak, aby pohlcoval
co nejvíce záření. Levné absorbéry, dostačující pro letní období, jsou natřeny
matnou černou barvou. Kvalitnější typy mají na povrchu tzv. selektivní spektrální
nátěr, který pohlcuje až 96 % záření a přitom teplo jen minimálně vyzařuje. Tyto
nátěry umožňují využít nejen přímé, ale i rozptýlené sluneční světlo a jsou vhodné
pro celoroční využití. Získané teplo se odvádí vodou nebo nemrznoucí kapalinou
proudící v trubicích
-
Skříň - kovová, plastová nebo dřevěná vana pro uložení absorbéru a dalších
prvků. Musí být dostatečně robustní, protože slouží ke spolehlivému uchycení
kolektoru na střechu nebo stěnu budovy a chrání jeho prvky před nepříznivými
povětrnostními vlivy.
-
Izolace - omezuje tepelné ztráty a brání úniku tepla z absorbéru stěnami skříně.
Nejčastěji se používá tepelná izolace z minerální vlny nebo polyuretanu. Musí
odolávat teplotám do 200 °C a nesmí přijímat z okolního prostředí vlhkost.
-
Krycí sklo - omezuje tepelné ztráty přední stěnou kolektoru. Viditelné světlo jím
snadno prochází a v absorbéru se mění na teplo. Dlouhovlnné tepelné záření
však sklo nepropouští ven. Uvnitř kolektoru vzniká skleníkový jev, při kterém se
zvyšuje teplota proudící kapaliny. Používá se speciální bezpečnostní solární sklo
s velkou propustností a dlouhou životností.
188
Obr. 5.36. Solární kolektor vyrobený na VŠB-TU Ostrava, FEI,KAT450 skupinou
SAZE
Obr. 5.37. Vnitřní struktura kolektoru
Při stavbě solárních kolektorů je třeba brát na zřetel několik parametrů:
-

Konstrukce - musí být dostatečně pevná, aby dobře odolávala různým
přírodním vlivům. Kolektor by měl být co nejblíže místu spotřeby ohřáté vody,
aby se co nejvíce omezily tepelné ztráty v rozvodném potrubí. Přívodní trubice
musí být opatřeny dobrou tepelnou izolací.
Umístění solárních kolektorů
Slunce v průběhu dne a ročního období mění neustále svou polohu. Úhel dopadu
slunečního záření na zemský povrch neustále mění a jeho intenzita závisí na
erupcích na slůnci a ozónové vrstvě nad danou oblastí.
Nejčastěji se solární kolektory umisťují na jižní strany střech domů, kde je celoročně
největší intenzita světla. Tím je dosaženo optimálního výkonu kolektoru. Dalším
faktorem ovlivňující výkon je sklon střechy, který určuje naklonění kolektoru. Při
instalaci kolektoru kolektor přímo na střechu domu, musí být navíc započítány ztráty
z výkonu. Jiná situace však nastane u domu s rovnou střechou. V tomto případě lze
kolektory na rám upevnit a nasměrovat je nejvhodnějším směrem. Rám lze upevnit i
na slunné místo mimo střechu a to v případě nevyhovující střechy. U takové varianty
je vhodné dbát na to, aby kolektory byly co nejblíže domu a potrubí vedoucí do
zásobníku a z něj bylo co nejkratší, kvůli snížení tepelných ztrát.
Sklon kolektoru je důležitý pro výkon celého systému. Ideálního výtěžku by bylo
možno dosáhnout za předpokladu, že by světlo dopadalo kontinuálně kolmo na
kolektor. Proto se snažíme ideálně naklonit kolektor již při montáži. Optimální sklon
pevného kolektoru je v různých ročních obdobích odlišný, neboť Slunce je v létě
189
položeno výše než v zimě. Jeli plocha kolektoru orientována na jih, lze v letním
období získat největší výnosy při sklonu 20° 30°. V zimních měsících by byl
nejvhodnější úhel přibližně 60°. Pro celoroční využití k ohřevu pitné vody je v našich
zeměpisných šířkách u skromně dimenzovaných kolektorů ideální sklon 50°
Při umisťování solárních kolektorů v České republice je třeba mít na paměti, že
nejvíce slunečního záření dopadá v roce na 1m2 vodorovné plochy. Můžeme říci, že
na jihovýchodní Moravě je to cca 4100MJ/m2 a na severu Čech je dopad slunečního
záření cca 3400 MJ/m2.
Měsíc
Maximální úhel sklonu slunce nad
obzorem [º]
Doporučený úhel sklonu solárních
kolektorů [º]
Leden
19
71
Únor
27
63
Březen
38
52
Duben
50
40
Květen
59
31
Červen
63
27
Červenec
61
29
Srpen
54
36
Září
43
47
Říjen
32
58
Listopad
22
68
Prosinec
17
73
Tab. 5.6. Maximální úhel sklonu Slunce nad obzorem a doporučený úhel sklonu
solárních kolektorů v příslušném měsíci

Teplonosné látky pro kapalinové solární soustavy
Teplonosné látky kolující v soustavách jsou k tomu, aby nám dopravily energii
získanou z ohřátých solárních kolektorů k akumulačním zásobníkům. Těmito látkami
jsou zpravidla vzduch (vzduchové solární systémy), kapalina (kapalinové solární
systémy) nebo velmi vzácně pevné látky (sypký písek). Pro celoroční používání je
nejideálnější látkou nemrznoucí kapalina, která ale musí splňovat několik nutných
podmínek pro bezproblémový provoz.
190
Požadavky na vlastnosti teplonosné kapaliny
•
•
nízký bod tuhnutí (nejlépe kolem - 25 až - 30 °C)
•
•
•
•
•
•
nehořlavost
dobré tepelně fyzikální vlastnosti (tepelná kapacita, viskozita), co nejvíce
podobné vodě
ochrana proti korozi
kompatibilita s těsnícími materiály
ekologické aspekty (netoxická, biologicky rozložitelná)
dlouhodobá stálost vlastností - teplotní odolnost
rozumná cena
Typy teplonosných látek
Voda – je netoxická, nehořlavá a levná. Ideální z hlediska vysoké tepelné kapacity,
tepelné vodivosti a nízké viskozity. Voda má bohužel nízký bod varu a vysoký bod
tuhnutí, což ji předurčuje pro použití pouze v sezónních solárních soustavách s
letním provozem.
Glykolové nemrznoucí směsi mohou být dvojího druhu: směs etylenglykolu s
vodou nebo propylenglykolu s vodou. Etylenglykol je velice toxická látka a tudíž je
nutné, aby při jejím používání bylo dbáno na bezpečnost při použití a primární okruh
musí být oddělen od pitné vody dvěma teplosměnnými plochami. Nyní je užití
etylenglykolu na ústupu a je nahrazováno netoxickou směsí propylenglykolu s vodou
a s potřebnými inhibitory koroze.
Alkoholy (metanol, etanol) se častěji než kolektory používají v primárních okruzích
tepelných čerpadel s ohledem na nízký bod tuhnutí. Tepelná kapacita je výrazně
nižší než vody (téměř o 40 %). Pro použití jako teplonosných látek v okruzích
solárních soustav je nevýhodný také nízký bod varu alkoholu (metanol 64 °C, etanol
78 °C). Využití etanolu v solární technice se omezuje převážně na technologie
tepelných trubic.
Silikonové oleje mají nízký bod tuhnutí a vysoký bod varu. Nejsou korozivní a mají
vysokou životnost. Na druhou stranu se vyznačují vysokou viskozitou a nízkou
tepelnou kapacitou (poloviční než u vody), což vede k vyšší spotřebě energie pro
pohon oběhových čerpadel (vyšší průtok, vyšší tlakové ztráty). Silikonové oleje jsou
vzlínavé a snadno unikají z uzavřeného okruhu mikroskopickými netěsnostmi. Jejich
použití se omezuje pro vysokoteplotní aplikace a kolektory (koncentrační).

Solární zásobník pro ohřev užitkové vody
Solární zásobník.
Vnitřní nádoba bojlerů je vyrobena ze silné, kvalitní oceli USD 37.2 a je chráněna
smaltem, dvojitě vypalovaném při teplotě 850 ºC.
191
Dostatečná polyuretanová izolace 65 mm (bez freonu) garantuje nízké tepelné ztráty.
Silná hořčíková anoda zajišťuje aktivní antikorozní ochranu (kompenzuje vlivy
elektrolytické koroze) a tím také prodlužuje životnost nádoby.
Solární zásobník s vytápěním
Topné médium (voda) je ohříváno v nádrži na principu akumulace energie.
Zásobníky jsou určeny pro celoroční ohřev teplé užitkové vody (TUV) solárním
systémem. Slouží jako předehřev pro bivalentní zdroj a také může být dopojen pro
přitápění. Ohřev TUV se uskutečňuje průtokem vody měděným výměníkem.
Zásobník je plněn jednorázově, proto odpadá čištění a údržba. To vede k vysokému
růstu životnosti. Na zásobníky se poskytuje záruka 10 let na těsnost nádoby a
výměníků.
Předností těchto zásobníků je skutečnost, že tvoří kompaktní celek, který má v sobě
integrován kompletní pohonnou jednotku vč. elektronické regulace solárního okruhu,
tlakové expanzní nádoby a ostatního nezbytného příslušenství. Tato koncepce
přináší výhodu v jednoduché a tím i levné montáži celého solárního systému
Zásobníky jsou určeny pro plně automatický provoz hnaného solárního systému (s
čerpadlem). Tepelná izolace zásobníku je bezfreonová (IPITHERM) a zaručuje nízké
tepelné ztráty. Připojení zásobníku k solárnímu kolektoru i k následnému
bivalentnímu zdroji (TUV) je zajištěno pomocí svěrného šroubení. Průměr zásobníku
je příznivý z hlediska prostorového umístění a průchodnosti přes dveřní otvory.
Na požadavek zákazníka lze zásobník doplnit o elektrickou topnou spirálu
popřípadě zásobník doplnit o boční otvory pro připojení bivalentního zdroje
(teplovodní krbové vložky či kotle).
192
Obr. 5.38. Solární zásobník s vytápěním

Výměník tepla
Výměník tepla slouží k předávání tepla všude tam, kde není možné předávat teplo
přímo ze zdroje do spotřebiče. Zvláště pak u solárních výměníků tepla, které pracují
celoročně a jako teplonosná směs je zde použita nemrznoucí kapalina - přenos tepla
do vody.
Protože v žádném tepelném výměníku nelze dosáhnout 100% termické účinnosti, je
nutno u solárních soustav optimalizovat velikost zásobníku. Většině na této
optimalizaci závisí celková funkčnost soustavy.
Nejdůležitějším parametrem tepelného výměníku je předávací výkon. Tento výkon se
mění s mnoha faktory a to zejména s teplotním rozdílem mezi topnou a ohřívanou
částí výměníku, průtokem v topné i ohřívané části výměníku a s typem protékající
kapaliny.
Parametrizace takového výměníku závisí na provozních podmínkách, ve kterých
bude výměník pracovat. Obecně však platí, že čím vyšší je teplotní rozdíl mezi
topnou a ohřívanou částí a čím jsou vyšší průtoky na obou stranách výměníku, tím je
vyšší i předávací výkon výměníku.
193
Nezávisle na typu, všechny tepelné výměníky musí splňovat následující požadavky:

Vysoka tepelná účinnost
Každý tepelný výměník je charakterizován svým výkonem, který udává, jaké
množství energie je výměníkem předáno z horké do chladné pracovní látky
za jednotku času. V případě zanášení výkon klesá a tím pádem klesá i
tepelná účinnost daného výměníku. Účinnost je klíčovým parametrem
jakéhokoliv tepelného výměníku.

Tlaková ztráta
Ztráta tlaku je druhou zásadní vlastností. Jak víme s rostoucí tlakovou ztrátou
(způsobenou například zanášením) roste rozdíl tlaků na vstupu a výstupu a
tím pádem rostou provozní náklady.

Spolehlivost a dlouhá životnost
Spolehlivost je důležitá především z toho důvodu, že ve většině
průmyslových provozů je při poruše a následném odstavení výměníku
odstavena i celá výroba. Pokud se například v jaderné elektrárně vyskytne
závada na parogenerátoru, nezbývá jiná možnost než celou elektrárnu
odstavit na dobu potřebnou k jeho opravě.

Jednoduchost údržby a oprav
Tento faktor hraje důležitou roli právě při zanášení nebo při poruše. Pokud je
nutné výměník odstavit kvůli závadě nebo čištění, musí být délka odstávky co
nejkratší z důvodů popsaného výše.

Kompatibilita materiálu s pracovní látkou
Kompatibilita musí být zajištěna u jakéhokoliv výměníku. Pro dlouhou
životnost a bezporuchový provoz je nutno zaručit, že pracovní látka nebude s
materiálem výměníku nikterak chemicky reagovat, a to jak krátkodobě, tak
především dlouhodobě. Vzájemná chemická reakce by mohla způsobit
korozi, nebo by přispívala ke zrychlení zanášení výměníku.

Cena
Co nejnižší cena je v dnešní době vyžadována u každého výrobku, tepelné
výměníky nevyjímaje. Zásadní vliv na ni má konstrukce výměníku, tzn. Jaký
materiál je použit k výrobě, jaká je jeho celková hmotnost, a především jaká
je složitost výroby.

Kompaktnost
Při konstruování každého výměníku je snahou docílit co nejvyššího
tepelného výkonu při co nejmenších rozměrech. S rostoucími rozměry
automaticky vzrůstá hmotnost výměníku, spotřeba materiálu a práce
potřebná k jeho výrobě, což má za následek nechtěný nárůst celkové ceny
194
výměníku. Zvýšení kompaktnosti také snižuje náklady na převoz a na
manipulaci s výměníkem. Je také snahou konstruovat výměníky lehké, avšak
zároveň odolné proti vysokým tlakům a teplotám.
Rozlišujeme dva typy tepelných výměníků, které se liší konstrukcí, základními
parametry a použitím. Tyto výměníky jsou:



Trubkové tepelné výměníky
Deskové tepelné výměníky
Trubkové tepelné výměníky
Trubka v trubce
Výměník typu trubka v trubce je konstrukčně nejjednodušším typem výměníku. Jak je
vidět na obrázku níže, výměník sestává ze dvou soustředných trubek, kterými
protékají tekutiny o různých teplotách. Směr proudění obou tekutin je ve schématu
stejný, jedná se tedy o souproud. Tepelná výměna u tohoto typu výměníku probíhá
především přes stěnu vnitřní trubky, teplejší tekutina předává během průtoku vnitřní
trubkou své teplo tekutině proudící vnější trubkou. Dle zákona zachování energie je
ideálně teplo, které odevzdala tekutina ve vnitřní trubce, rovno teplu, které přijala
tekutina v trubce vnější.
Obr. 5.39. Schéma tepelného výměníku trubka v trubce
Jelikož tepelná výměna probíhá pouze skrze stěnu vnitřní trubky, je účinnost tohoto
trubkového výměníku relativně nízká. Teplo procházející stěnou trubky za jednotku
času popisuje:
Jedná se o zjednodušený vztah pro prostup tepla válcovou stěnou a vyplývá z
něj, že pro zvýšení účinnosti tepelné výměny je nutno:
1. prodloužit délku trubky l (zvětšíme teplosměnnou plochu),
195
2. zvětšit průměry trubky d1 a d2 (opět dosáhneme zvětšení plochy),
3. snížit tloušťku stěny trubky,
4. použít materiál s co nejlepší tepelnou vodivostí λ,
5. zaručit co nejvyšší teplotní rozdíl TH – TC anebo
6. zvětšit vnější plochu vnitřní trubky žebrováním, trny apod.
Pro zvýšení účinnosti je také vhodné zapojit do série větší počet těchto výměníků,
čímž opět dojde ke zvýšení plochy tepelné výměny. Jednoduchost konstrukce
umožňuje použít výměník pro tekutiny o vysokých tlacích a teplotách.
U reálného tepelného výměníku je ovšem nutno také uvažovat tepelné ztráty do
okolí. Cílem většiny tepelných výměníků je převést co nejvíce přebytečného tepla z
jednoho prostředí do druhého, a proto musí být zajištěno, aby se co nejméně tepla
dostalo nechtěně do okolí. K minimalizaci takovýchto ztrát se aplikuje izolační
materiál na vnějšek výměníku. V případě výměníku trubka v trubce se izoluje zvenčí
celá vnější trubka, aby teplo neunikalo skrze její stěny do okolí. Kvůli další
minimalizaci ztrát do okolí se horká tekutina přivádí do vnitřní trubky, protože kdyby
byla přivedena do trubky vnější, zvýšila by se teplota její vnější stěny a tím i ztráty.
Obr. 5.40. Sériové souproude zapojeni většího počtu dvojtrubkových výměníků
Pokud se vnitřní trubky výměníku začnou zanášet, je nutno pro výpočet použít
vzorec, který zohlední i vnitřní a vnější nános. Obecný tvar vzorce pro prostup tepla
složenou válcovou stěnou (pro zjednodušení neobsahuje koeficient α pro přestup
tepla mezi stěnou a tekutinou):
196
Negativní vliv zanášení na účinnost tepelného výměníku je možno demonstrovat na
následujícím příkladu výměníku typu trubka v trubce:
Uvažujme kapalinu protékající trubkou z uhlíkové oceli o průměru 100 mm a tepelné
vodivosti 54 Wm-1K-1. Horká kapalina v trubce má teplotu 100 °C, chladná kapalina
vně trubky 20 °C. Teplotní rozdíl tedy činní 80 °C. Pokud se na vnitřní straně trubky
vytvoří nános o tloušťce 10 mm a tepelné vodivosti 2 Wm-1K-1, dojde tím ke snížení
celkové tepelné vodivosti, neboť nános funguje jako tepelný izolant.
Dosazením do vzorce pro složenou kruhovou stěnu zjistíme, že tepelný tok trubkou s
nánosem je 10× menší než tepelný tok nezanesenou trubkou. Výkon takovéhoto
výměníku se tedy snížil o 90%.
Trubkové výměníky
Trubkové výměníky jsou průmyslově nejvíce využívaným typem výměníků. V
angličtině se pro tyto výměníky používá termín „Shell and Tube“.
Obr. 5.41. Trubkovy výměník – základní uspořádaní
Horká tekutina vtéká do výměníku na levé straně a její proud se rozděluje do velkého
počtu malých trubek. Těmito trubkami prochází horizontálně přes vnitřní část
tepelného výměníku, snižuje svoji teplotu a ochlazená vystupuje z výměníku na
straně pravé. Druhá tekutina vyplňuje celý vnitřní prostor výměníku a je v přímém
kontaktu s vnitřními trubkami. Tekutina vtéká do výměníku shora, směr jejího
proudění je obecně opačný vůči proudu v úzkých trubkách (protiproud). Ve skořepině
197
jsou umístěny přepážky, které nutí tekutinu měnit směr a zvyšují tak účinnost tepelné
výměny mezi trubkami a tekutinou. Mezi přepážkami dochází ke křížovému proudění,
takže v rámci celého výměníku se jedná o křížový protiproud.
Jak je známo, každý materiál reaguje na změnu teploty změnou svého objemu. V
praxi se tento jev označuje jako tepelná dilatace (tepelná roztažnost) a v případě
tepelných výměníků může způsobovat značné potíže. Při provozu protéká trubkami
výměníku horká voda a přitom celý objem skořepiny vyplňuje voda chladná. Kdyby
bylo vše svařeno, vnitřní trubky by vlivem vyšší teploty po délce dilatovaly více, než
skořepina. Jelikož síly působící při teplotní roztažnosti jsou značné, došlo by ke
značnému zprohýbání a vnitřní trubky by mohly i popraskat.
U trubkových výměníků je problém tepelné roztažnosti nejcitelnější. Dle je nejlepší
vyrobit trubkový výměník co nejdelší, jelikož je jednodušší použít méně dlouhých
trubek než mnoho trubek krátkých (především kvůli pracnému vrtání otvorů a
svařování). Čím delší trubky budou však použity, tím více budou dilatovat a potažmo
způsobovat problémy.
Další možné uspořádání výměníku je, že horká tekutina vstupuje do výměníku
pravým spodním hrdlem a polovinou trubek prochází přes výměník na jeho druhou
stranu. Tam tekutina změní svůj směr a teče zpět k pravému hornímu výstupnímu
hrdlu. Směr proudění chladné tekutiny je obdobně jako v předchozím případě měněn
přepážkami.
Obr. 5.42. Trubkovy výměník s dvojitým průchodem horké tekutiny
Negativní vliv tepelné roztažnosti se u tohoto typu výměníku obvykle řeší tak, že
konce trubek na levé straně nejsou napevno spojeny s boční stěnou, ale mohou se v
ní volně pohybovat. Mezi trubky a desku jsou pak umístěna těsnění, která umožňují
trubce dilatovat a zároveň zabraňují mísení obou pracovních látek. Protože se trubky
roztahují po celé své délce, je nutno, aby byly volné i při průchodu přepážkami.
198
Průchody musí být opět těsné, protože v opačném případě by jimi protékala tekutina,
měnil by se charakter proudění a snižovala by se tak účinnost výměníku.
Problém s teplotní roztažností je nejlépe vyřešen na obrázku níže uvedeném.
Typ proudění je velice podobný tomu z obrázku 108, ovšem trubky na levé straně
neústí do volného prostoru, nýbrž jsou tvarovány do U. Z tohoto důvodu se nazývají
U-trubky.
Výhodou tohoto uspořádání je, že trubky se mohou volně roztahovat, přičemž
horká a chladná tekutina jsou v každém místě výměníku od sebe dobře odděleny.
Není zapotřebí žádných těsnění, ovšem opět je nutné, aby se trubky procházející
přepážkami mohly v těchto volně pohybovat.
Obr. 5.43. Trubkovy výměník s U-trubkami
Zanášení se u trubkových tepelných výměníků vyskytuje na různých místech v
závislosti na využívání konkrétního výměníku. Jinak se bude zanášet výparník, jinak
kondenzátor a jinak výměník pracující beze změny fáze. Obecně platí, že trubky se
zanášejí nejvíce na svých vnitřních stěnách, a to po celé své délce. Jedná se
především o zanášení krystalizační, kdy jsou tvořeny tvrdé a pevné nánosy po celém
obvodu trubek. Obdobně tak probíhá i zanášení na jejich vnějších stěnách.
Co se okolní tekutiny týče, k největšímu zanášení dochází především v místech s
nejnižší rychlostí pracovní látky. Jak je možno vidět na níže uvedené obrázku, těmito
místy jsou především rohy mezi skořepinou a přepážkami.
Čištění trubkových výměníků se většinou provádí mechanicky, je časově náročné a
neobejde se bez kompletního odstavení výměníku. Při čištění je výměník vypuštěn a
odmontuje se jedna z jeho bočních stran (tato je vždy demontovatelná právě kvůli
opravám a čištění). Po demontáži boční strany se z výměníku vysune trubkový
svazek, poté následuje čištění vnitřku skořepiny, vnitřních stěn trubek a v omezené
míře i vnějších stěn trubek.
199
Obr. 5.44. Kritická místa zanášení trubkového výměníku
Spirálové výměníky
Obměnou výměníku typu trubka v trubce je výměník spirálový. Ten opět sestává z
vnitřní a vnější trubky. Vnitřní trubka však už není přímá, ale je stočena do spirály,
což má za následek mnohonásobné zvětšení její plochy a tím pádem i zvýšení
tepelné výměny. Výměník je v tomto případě protiproudý. Dalšího zvýšení efektivity
lze docílit zvýšením počtu spirál, tzn. do jedné spirály vložíme další spirálu s menším
poloměrem.
Obr. 5.45. Spirálový výměník
200
Pokud chceme provádět tepelnou výměnu mezi více než dvěma tekutinami, můžeme
do každé ze spirál přivést jinou horkou tekutinu. Chladnější tekutina v „nádrži“ pak
ochlazuje více tekutin najednou v rámci jednoho tepelného výměníku.

Deskové výměníky
Rozebíratelné výměníky
U deskového výměníku dochází k tepelné výměně skrze desku. Obě strany této
desky jsou v přímém kontaktu s proudícími pracovními látkami o různých teplotách,
přičemž samotná deska tvoří bariéru mezi těmito látkami (stejně jako stěna trubky).
Nedochází tudíž k výměně materiálu.
̇
(
)
Výše uvedená rovnice popisuje množství tepla, které prochází z horké do chladné
látky za určitý čas. Při konstrukci každého tepelného výměníku je prioritou, aby
tepelná výměna probíhala co nejefektivněji, což znamená, že množství přeneseného
tepla Q za určitý časový úsek musí být co nejvyšší. Toho můžeme u tepelné výměny
skrze desku dosáhnout následujícími způsoby:
1. zvětšením plochy desky S,
2. použitím materiálu s co nejvyšší tepelnou vodivostí λ,
3. zvýšením rozdílu teplot tekutin TH – TC,
4. snížením tloušťky desky l anebo
5. volbou výhodnějšího typu žebrování desky
̇
∑
Rozebíratelné výměníky se skládají z mnoha desek umístěných za sebe. S
rostoucím počtem desek roste i plocha tepelné výměny, přičemž takto vzniklý tepelný
výměník je stále velmi kompaktní. Funkce je následující: chladná tekutina vtéká do
výměníku levým dolním hrdlem, část tekutiny pokračuje ve směru vtoku hlouběji do
výměníku, část tekutiny mění svůj směr a obtéká desku výměníku směrem nahoru.
Horká tekutina vstupuje do výměníku vpravo nahoře a její část protéká mezi první a
druhou deskou směrem dolů k pravému dolnímu výstupnímu hrdlu. První deska je
tedy zepředu v kontaktu s chladnou tekutinou a zezadu v kontaktu s tekutinou
horkou. Horká tekutina předává skrze desku své teplo chladné tekutině.
K tomuto procesu dochází periodicky skrze každou další desku. Dle obrázku tedy
každou lichou mezerou mezi dvěma deskami protéká tekutina chladná směrem
nahoru a každou sudou mezerou protéká teplá tekutina směrem dolů.
201
Obr. 5.46. Schéma funkce deskového výměníku a zanesena deska
Jednotlivé desky jsou na svých okrajích opatřeny těsněním, jsou přiraženy k sobě a
důkladně sešroubovány po celé délce okrajů. Právě tento typ spojení je limitující pro
tlak pracovních látek. Deskové výměníky jsou proto nejčastěji využívány pro tepelný
přenos mezi stejnými fázemi (nejčastěji kapalinami), kdy je dosaženo vysoké
účinnosti při nízkém teplotním rozdílu. Desky bývají co nejtenčí kvůli co nejlepší
tepelné výměně. Jsou vyrobeny z plechu a ke zvýšení plochy tepelné výměny a
turbulentnosti proudění jsou na nich lisovány profily nejrůznějších tvarů.
Předností tohoto výměníku je především jeho snadná rozebíratelnost. Přední deska
výměníku je pevně uchycena ke konstrukci, zadní deska se dá posouvat po horní
traverze. Obě desky jsou z tlustého materiálu (řádově desítky milimetrů). Jejich
hlavní funkcí je totiž stáhnout plechové desky mezi nimi co nejpevněji, udržet tlak
tekutiny a zabránit jejímu úniku. Pokud dojde k zanesení nebo poruše výměníku,
odšroubují se tyče, které stahují desky k sobě, a zadní posuvná deska se po traverze
odsune. Plechy je pak možno od sebe oddělit a provést jejich čištění, opravu, nebo
výměnu jednotlivých kusů.
Zanášení těchto výměníků probíhá především na plochách desek. Díky profilování
desek je proudění tekutiny značně turbulentní. To jednak zlepšuje přestup tepla mezi
tekutinou a deskou, ale především omezuje zanášení desek.
Typické pracovní teploty pro deskové výměníky jsou v rozsahu od -35 °C do +200 °C
a pracovní tlaky mohou dosahovat až 2,5 MPa. Nejnižší teplotní rozdíl mezi
kapalinami může být až 1 °C. Jsou využívány především pro tepelnou výměnu mezi
kapalinami, nebo jako výparníky či kondenzátory. Vzájemné proudění tekutin je vždy
protiproud. Využívají se především v procesním a potravinářském průmyslu, své
využití však nacházejí také v průmyslu petrochemickém. Co do rozšířenosti jsou v
průmyslu na druhém místě hned za trubkovými výměníky.

Nerozebíratelné výměníky
202
Funkcí a konstrukcí jsou tyto výměníky totožné s rozebíratelnými, ovšem spojení
jednotlivých plátu je pevné a výměník proto není možné rozebrat. Jednotlivé pláty
jsou k sobě svařeny nebo spájeny. Pevnější konstrukce svařovaných výměníku jim
umožňuje pracovat v rozmezí tlaků od velmi nízkých (téměř vakua) až po tlaky na
hranici 4 MPa. Nepřítomnost těsnění dále dovoluje výměníkům zvládat teploty v
rozmezí od -180 °C do 650 °C. Pájené výměníky nejsou tak pevné, zvládnou
maximální teploty do 300 °C a tlaky do 3 MPa.
Jelikož se takovýto výměník nedá rozebrat, nedá se tedy ani mechanicky čistit.
Jediná možnost čištění takovéhoto výměníku je bud zvýšeným průtokem a tlakem,
opačným průtokem, použitím chemického čištění nebo kombinací těchto možností.

Spirálové výměníky
Spirálový tepelný výměník je zvláštním, avšak v průmyslu hojně využívaným typem
deskového výměníku. Horká tekutina (A) vtéká do výměníků zepředu. Poté protéká
skrz spirálu celým výměníkem a vystupuje ven vertikálně levým horním výstupem.
Pravým horním vstupem vtéká do výměníku chladná tekutina (B), spirálovitě protéká
výměníkem a vystupuje horizontálně vpravo. Směr proudění horké kapaliny je
vyznačen červenými šipkami, chladná kapalina proudí na druhé straně spirály ve
šrafované části.
Obr. 5.47. Schéma funkce spirálového výměníku a fotografie spirálového výměníku
Proudění je protiproudé a má tudíž nejvyšší možnou účinnost. Celková účinnost
spirálového plátového výměníku je vysoká, ovšem výrobní náklady jsou kvůli
spirálové konstrukci značné. Maximální přípustné teploty pracovních látek se
pohybují kolem 400 °C a tlaky mohou být až 1,5 MPa. Limitujícím faktorem je těsnění
mezi spirálou a bočním demontovatelným víkem.
Zanášení výměníku probíhá jednak na celé ploše stěn (krystalizačním zanášením),
ale především ve spodní části spirály (naplavováním), kde se nečistoty drží vlivem
203
gravitace. Spirálový výměník má jako jediný díky své konstrukci samočistící
schopnost. Tekutina totiž protéká pouze jedním kanálem, čili pokud dojde k
naplavení nečistot do spodní části spirály, sníží se v ní průřez a zvýší se rychlost
proudění tekutiny. Rychle proudící tekutina tak sama odstraňuje nános. Navíc, boční
kruhové stěny jsou demontovatelné a výměník je pak možno čistit mechanicky.

Solárně termická přeměna
Solárně termická přeměna je realizována v solárních elektrárnách. Energie
slunečního záření se koncentruje ve sběračích, následně se v absorbér přeměňuje
na teplo a teplonosná kapalina se díky tomu ohřívá na vysokou teplotu. Tato
teplonosná kapalina předá své teplo ve výměníku vodě, která se přemění na páru
pro pohon parních turbín, která roztáčí generátory elektrické energie. Výsledným
produktem je tedy vyrobená elektrická energie z páry.
Princip takovýchto elektráren, které za pomoci ohřevu kapaliny vyrábí elektrickou
energii spočívá v koncentraci slunečního záření z velké plochy do velmi malé plochy.
Využívá k tomu odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel, jako
jsou fokusační sběrače.
Princip slunečních elektráren spočívá v koncentraci slunečního záření z velké plochy
do velmi malé plochy. Využívá se odrazu světla od vhodně tvarovaných a
orientovaných zrcadel, jako jsou fokusační sběrače nebo heliostaty.
Jako fokusační sběrače se používají žlabové nebo diskové sběrače (viz obr. 90, 91),
které se automaticky natáčejí za Sluncem. Dopadající sluneční záření se odráží od
parabolických ploch a koncentruje se v absorbéru. Tímto způsobem se příslušná
kapalina (např. olej) ohřívá v absorbéru a proudí potrubím do místa dalšího využití.
Žlabový sběrač - má tvar žlabu s parabolickým průřezem a černě natřenou trubicí absorbérem. Trubice s teplonosnou kapalinou je upevněna tak, aby procházela
ohnisky jednotlivých úseků parabolického žlabu. V trubici se kapalina (např. olej)
zahřívá na teplotu několika stovek °C. Pro zvýšení výkonu se žlabové kolektory
spojují do větších soustav. Sběrače se během dne automaticky natáčejí za Sluncem.
204
Obr. 5.48. Žlabový sběrač
Obr. 5.49. Diskový sběrač
Diskový sběrač - jedná se o obdobu parabolického automobilového reflektoru.
Sluneční paprsky se opět soustřeďují do ohniska, kde je umístěný absorbér. Zahřátá
kapalina zahřátá v absorbéru se potrubím odvádí do místa dalšího využití. Má-li mít
parabolické zrcadlo velký průměr, sestavuje se z většího počtu vhodně sestavených
menších zrcadel. Parabola se automaticky natáčí za Sluncem.
205
Obr. 5.50. Soustava s Helliostaty
Heliostaty - skupina vhodně rozmístěných pohyblivých rovinných zrcadel. Každé
zrcadlo se během dne automaticky natáčí tak, aby paprsky od něho odražené
dopadaly vždy na absorbér. Heliostaty se nejčastěji používají k soustřeďování světla
do ohniska tzv. slunečních pecí a věžových slunečních elektráren.
Zjednodušený výpočet energetického hodnocení solárních soustav
Jako podklad k energetickému, ekologickému a ekonomickému hodnocení zatím
nerealizovaných solárních soustav je zcela nezbytné nejdříve správně vyhodnotit
reálné energetické přínosy dané instalace výpočtem. Solární tepelné zisky nejsou
závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), ale především
na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na
požadovaném solárním podílu, na tepelných ztrátách soustavy (potrubí, solární
zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů. Velmi často se však v
energetických analýzách lze setkat s poněkud nereálným bilancováním solárních
soustav bez započtení tepelných ztrát vlastní soustavy, případně kalkulujících i s
přebytky tepelné energie ze solární soustavy, které nelze například v letním období
využít. Následující text nabízí zjednodušený postup výpočtového hodnocení běžných
solárních soustav z hlediska využitelných tepelných zisků na základě měsíční
energetické bilance (výpočet po měsících). Výpočtový postup je fyzikálně podložený,
nicméně je do značné míry zjednodušený, především započtením tepelných ztrát
paušální srážkou ze zisků a uvažováním konstantní teploty v zásobníku tepla a proto
udává pouze přibližné výsledky. Výpočet nezohledňuje velikost akumulačního
zásobníku a neumožňuje tedy zohlednit extrémní předimenzování plochy kolektorů1.
V žádném případě výpočtový postup nemůže nahradit detailní výpočetní metodiku či
přímo simulační výpočty v pokročilých softwarech (TRNSYS, Polysun, aj.) s krokem
kratším než hodina, se zohledněním dynamiky provozu solárních soustav a
využívající validované simulační modely prvků soustavy (kolektor, zásobník,
206
výměník, atd.). Cílem zjednodušené metodiky je nabídnout odborné veřejnosti
snadný výpočtový postup ke stanovení energetických zisků blízkých skutečnosti
použitelný pro ruční výpočet či výpočet pomocí běžného tabulkového procesoru
(Excel) jako podklad pro hodnocení solárních soustav.
Metodika
Výpočtový postup pro stanovení energetických zisků solárních soustav je založen na
tepelné bilanci potřeby tepla v dané aplikaci, dodaného tepla solárními kolektory,
včetně uvažování tepelných ztrát rozvodů a využitelnosti solárního tepla v dané
aplikaci. Metodika se zaměřuje na základní typy solárních soustav:



solární soustavy pro přípravu teplé vody
kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění
solární soustavy pro ohřev bazénové vody
Zjednodušení uvedené metodiky bilancování spočívají především v uvažování
celoročně konstantní průměrné měsíční teploty v kolektorech a v paušálním
vyjádření podílu tepelných ztrát jak v dané aplikaci (ztráty kryté solárním teplem,
součást potřeby tepla) tak tepelných ztrát vlastní solární soustavy.
Okrajovými podmínkami výpočtu jsou jednotné údaje o provozních parametrech
soustav a jednotné hodnoty klimatických veličin (teplota, vlhkost, ozáření, dávka
ozáření) bez ohledu na skutečné místní podmínky instalace. Pouze v odůvodněných
případech se připouští použití jiných hodnot provozních parametrů.
Stanovení potřeby tepla

Prvním krokem při bilancování využitelných tepelných zisků solární soustavy je
stanovení vlastní potřeby tepla v dané aplikaci.
Potřeba tepla na přípravu teplé vody
Pro bilancování reálných tepelných zisků solární soustavy pro přípravu teplé vody je
nutné mít k dispozici v první řadě reálné údaje o celkové potřebě tepla na přípravu
TV, buď změřené (u stávajících objektů, odečet na kalorimetru) nebo předpokládané
(u novostaveb, výpočet). Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody Qp,TV
[kWh/měs] v jednotlivých měsících se výpočtem stanovuje jako potřeba tepla na
ohřev vody včetně zahrnutí tepelných ztrát vlastní soustavy přípravy teplé vody
(související pouze s přípravou TV).
kde
n je počet dní v daném měsíci;
VTV,den průměrná denní potřeba teplé vody (při teplotním spádu 60 / 15 °C) v
m /den, stanoví se podle reálné spotřeby, případně z měrné potřeby teplé vody
3
207
vztažené na uživatele; v případě, že je teplá voda připravována za jiných teplotních
podmínek:
kde
ρ hustota vody, v kg/m3;
c měrná tepelná kapacita vody, v J/kgK;
tSV teplota studené vody, uvažována 15 °C;
tTV teplota teplé vody, uvažována 60 °C;
z přirážka na tepelné ztráty související s přípravou teplé vody (rozvody TV a CV,
zásobníkový ohřívač teplé vody), stanoví se podle tabulky.
Typ spotřeby
Obytné domy
Nízký standard
Střední standard
Vysoký standard
Studentské domy, koleje Nízké – letní vytížení
Zbylá část roku
Školy
Nízké – letní vytížení
Zbylá část roku
Administrativa
VTV,den,os(l/os.den)
10-20
20-40
40-80
20-25
25-50
0
5-10
0-10
Tab. 5.7. Měrná denní potřeba teplé vody při teplotním spádu 60/15 °C, uvažováno
plné obsazení
Typ přípravy TV
z
Rodinný dům průtokový ohřev
0,00
Zásobníkový ohřev bez cirkulace
0,15
Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací
0,30
Centrální zásobníkový ohřev s neřízenou cirkulací
1
CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV >2
Tab. 5.8. Přirážka na tepelné ztráty
Celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody Qp,c [kWh/měs] při bilancování
solární soustavy je potom
Qp,c = Qp,TV
Potřeba tepla na vytápění
Pro bilancování kombinovaných solárních soustav pro přípravu teplé vody a vytápění
je nutné, kromě celkové potřeby tepla na přípravu TV, znát i potřebu tepla na
vytápění QVYT [kWh/měs] v jednotlivých měsících. Měsíční potřebu tepla na vytápění
lze stanovit různými způsoby s použitím různých zdrojů.
208
Často mohou být investorovi k dispozici výsledky měsíčního výpočtu v rámci
energetického hodnocení stavby a lze je tak použít pro bilancování solární soustavy.
Využití kombinovaných soustav pro přípravu teplé vody a vytápění předpokládá
alespoň nízkoenergetický standard budov (nízká potřeba tepla pro vytápění,
nízkoteplotní otopná soustava).
Kombinované solární soustavy zpravidla využívají centrálního zásobníku otopné
vody, do kterého je přiváděn tepelný zisk ze solárních kolektorů a teplo z
dodatkového zdroje energie, odebírána otopná voda pro vytápění a ve vestavěném
průtočném výměníku nebo zásobníku je připravována teplá voda.
Nelze proto jednoznačně odlišit jaká část tepelných ztrát jde na vrub přípravě teplé
vody, jaká vytápění a jaká solární soustavě. S ohledem na použití přirážky z pro
stanovení potřeby tepla na přípravu TV se ke stanovené potřebě tepla na vytápění
QVYT připočítají tepelné ztráty spojené s provozem akumulačního zásobníku pro
vytápění paušálně přirážkou v = 5 %, které může solární soustava hradit.
Tepelné ztráty rozvodů otopné vody přispívají k vytápění a jsou v podstatě zahrnuty
ve výpočtu potřeby tepla (vnitřní zisky). Pro spolehlivé stanovení potřeby tepla na
vytápění budov QVYT je doporučen standardizovaný výpočet podle normy ČSN EN
ISO 13790, která zahrnuje výpočet solárních zisků okny, vnitřních tepelných zisků,
vliv akumulace tepla do vnitřních částí konstrukcí na využití tepelných zisků (včetně
stanovení časové konstanty objektu), případně výpočty nestandardních prvků
(Trombeho stěna, apod.). Výpočet potřeby tepla se provádí pro jednotlivé měsíce.
Metodika je velmi detailní ve výpočtu a výsledky vykazují relativně dobrou shodu s
dynamickými simulačními metodami (za předpokladu použití stejných klimatických
dat). Nevýhodou je potřeba rozsáhlého množství informací, především o zasklení
(nejen tepelné, ale i optické vlastnosti), o stínění oken (výpočet stínění přesahy a
markýzami), vlastnostech materiálů všech konstrukcí (hustota, tepelná kapacita). Pro
získání reálných hodnot potřeby tepla u domů s nízkou potřebou tepla
(nízkoenergetické, pasivní domy) se využijí okrajové podmínky. Celková potřeba
tepla pro krytí vytápění je potom
kde
QVYT je čistá potřeba tepla na vytápění v jednotlivých měsících, v kWh/měs;
v přirážka na tepelné ztráty.
Další možností, i když zvláště v oblasti nízkoenergetických a pasivních domů silně
zjednodušenou, je použití jednoduché denostupňové metody, která stanovuje
potřebu tepla na vytápění v jednotlivých měsících na základě výpočtové tepelné
ztráty objektu a středních měsíčních venkovních teplot podle vztahu
209
kde
Qz je jmenovitá (výpočtová) tepelná ztráta objektu, v kW;
tiv výpočtová vnitřní teplota (uvažuje se 20 °C);
tip střední vnitřní teplota v daném měsíci (uvažuje se 20 °C);
tev výpočtová venkovní teplota (podle skutečné hodnoty použité při stanovení
výpočtové tepelné ztráty, -12 °C, -15 °C, -18 °C);
tep střední venkovní teplota v daném měsíci (viz tabulka P2 v příloze), v °C;
n počet dní v daném měsíci;
ε korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla vlivem účinky regulace,
přerušovaného vytápění, mj. také vlivem vnitřních a solárních zisků;
v přirážka na tepelné ztráty.
Energetická náročnost budovy (vytápění)
ε
Běžný standart, vyhláškou požadované tepelné vlastnosti konstrukcí
0,75
Nízkoenergetický
konstrukcí
standard,
vyhláškou
doporučené
tepelné
vlastnosti 0,60
Pasivní standard, tepelné vlastnosti konstrukcí nad rámec vyhláškou 0,50
doporučených hodnot
Tab. 5.9. Korekční součinitel ε
Pokud je k dispozici z blíže neurčeného výpočtu pouze roční potřeba tepla na
vytápění QVYT [kWh/rok] nebo měrná potřeba tepla na vytápění v qVYT [kWh/m2.rok]
spolu se vztažnou podlahovou plochou Ap [m2], lze zjednodušeně hodnoty potřeby
tepla na vytápění Qp,VYT [kWh/měs] pro jednotlivé měsíce odhadnout podle středních
měsíčních venkovních teplot v otopném období. Otopné období se zjednodušeně
uvažuje od září do května. Potřeba tepla na vytápění v i-tém měsíci včetně zahrnutí
tepelných ztrát se tak stanoví jako
Celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody a vytápění Qp,c [kWh/měs] při
bilancování kombinované solární soustavy je potom
210

Potřeba tepla na ohřev bazénové vody
Bilancování potřeby tepla u bazénů vychází z tepelné ztráty bazénu během jeho
provozu a mimo provoz (dodávka tepla udržuje příslušnou teplotu bazénové vody) a
z potřeby přiváděné čisté (studené) vody pro doplňování bazénu. V zásadě je nutné
rozlišit mezi bazény vnitřními (krytými) a venkovními (nekrytými), které jsou
provozovány za odlišných podmínek ovlivňujících tepelnou ztrátu.
Základním předpokladem realizace a následného provozu solárních soustav je
zakrývání vodní hladiny bazénu v době mimo provoz (zamezení značných tepelných
ztrát odparem z vodní hladiny). Pro výpočet se použije okrajových provozních
podmínek definovaných v tabulce 4. Využití jiných provozních podmínek pro výpočet
je možné pouze v odůvodněných případech.
Typ bazénu
Vnitřní v provozu
Vnitřní mimo provoz
Vnější v provozu
Vnější mimo provoz
tw(°C)
28
28
24
24
p“v(tw) (Pa)
3780
3780
2985
2985
tv(°C)
30
20
=tes
=ten
φv(%)
65
65
50
50
pv(tv)(Pa)
2760
1520
Dle výpočtu
Dle výpočtu
Tab. 5.10. Provozní podmínky bazénu pro výpočet
Parciální tlak syté vodní páry se pro danou teplotu vzduchu stanoví podle vztahu
Parciální tlak vodní páry ve vzduchu se stanoví z relativní vlhkosti a tlaku syté vodní
páry při příslušné teplotě vzduchu
Měsíční potřeba tepla na krytí tepelné ztráty vnitřního (krytého) bazénu v kWh/měs
kde
n je počet dní v daném měsíci;
τp denní provozní doba bazénu, pokud není známa τ p = 12 h/den.
Βp součinitel přenosu hmoty pro vnitřní bazény v době provozu, uvažuje se
jednotně βp = 1.6×10-4 kg/h.m2Pa;
211
Βn součinitel přenosu hmoty pro vnitřní bazény mimo dobu provozu, pro
zakrývaný bazén se uvažuje β n = 0 kg/h.m2Pa; pro nezakrývaný βn = βp;
Ab plocha vodní hladiny bazénu, v m2;
tw,p požadovaná teplota bazénové vody v době provozu bazénu (viz tabulka), ve
°C;
tw,n teplota bazénové vody v době mimo provoz bazénu, ve °C; uvažuje se tw,p =
tw,n;
tv,p vnitřní teplota v bazénové místnosti v době provozu bazénu, ve °C;
tv,n vnitřní teplota v bazénové místnosti v době mimo provoz bazénu, ve °C;
p“v(tw) tlak syté vodní páry v blízkosti hladiny bazénu při teplotě vzduchu rovné
teplotě bazénové vody tw, v Pa;
pv(tv) tlak vodní páry v okolním vzduchu při teplotě tv a vlhkosti φv, v Pa;
lw výparné teplo vody, lw = 2.5×106 J/kg;
αi součinitel přestupu tepla mezi okolním prostředím a hladinou bazénu sáláním
a prouděním, uvažuje se αi = 10 W/m2K pro vnitřní bazény.
Ve výpočtu se předpokládá udržování konstantní teploty bazénové vody během
celého dne a různou teplotou vzduchu v bazénové místnosti během provozu (30 °C,
tepelný zisk přestupem sáláním a volným prouděním do bazénu) a mimo provoz (20
°C, tepelná ztráta sáláním a volným prouděním z bazénu).
Měsíční potřeba tepla na krytí tepelné ztráty venkovního (nekrytého) bazénu v
kWh/měs
kde
n je počet dní v daném měsíci;
τp denní provozní doba bazénu4, stanoví se podle tabulky P2 jako τp = τs, v
h/den;
βp součinitel přenosu hmoty pro venkovní bazény, uvažován 2.9×10 -4 kg/h.m2Pa;
βn součinitel přenosu hmoty pro venkovní bazény mimo dobu provozu, pro
zakrývaný bazén se uvažuje βn = 0 kg/h.m2Pa; pro nezakrývaný βn = βp;
Ab plocha vodní hladiny bazénu, v m2;
212
tw,p požadovaná teplota bazénové vody v době provozu bazénu (viz tabulka), ve
°C;
tw,n teplota bazénové vody v době mimo provoz bazénu, ve °C; uvažuje se tw,p =
tw,n;
tes střední teplota venkovního vzduchu v době slunečního svitu (den), ve °C; pro
jednotlivé měsíce stanoví z tabulky P2 v příloze;
ten střední teplota venkovního vzduchu v době mimo sluneční svit (noc), ve °C;
pro jednotlivé měsíce stanoví z tabulky P2 v příloze;
p“v(tw) tlak syté vodní páry v blízkosti hladiny bazénu při teplotě vzduchu rovné
teplotě bazénové vody tw, v Pa;
pv(te) tlak vodní páry v okolním vzduchu při venkovní teplotě a vlhkosti v příslušné
části dne (viz tabulka), v Pa;
lw výparné teplo vody, lw = 2.5×106 J/kg;
αe součinitel přestupu tepla mezi okolním prostředím a hladinou bazénu sáláním
a prouděním, uvažuje se αe = 15 W/m2K pro venkovní bazény;
Hden energie slunečního záření dopadající na volnou hladinu bazénu, v
kWh/m2.den.
Ve výpočtu se předpokládá udržování konstantní teploty bazénové vody během
celého dne a různou teplotou okolního venkovního vzduchu během provozu v době
slunečního svitu a mimo provoz v noci.
Navíc v době provozu tepelným ziskem přispívá sluneční energie dopadající na
vodní hladinu, pohlcená s účinností 85 %.
Měsíční potřeba tepla na ohřev přiváděné studené vody v kWh/měs.
kde
k je počet návštěvníků v daném měsíci;
VSV,os měrná potřeba přiváděné čisté vody na návštěvníka bazénu, v m 3/os;
množství ředící vody se uvažuje jednotně 30 l/os;
ρ hustota vody, v kg/m3;
c měrná tepelná kapacita vody, v J/kgK;
tSV teplota studené vody, uvažuje se tSV = 15 °C;
tw teplota bazénové vody, ve °C.
Pokud není známý přibližný měsíční počet návštěvníků bazénu k, stanoví se jako
20% využití měsíční kapacity bazénu. Hodinová kapacita bazénu kb je dána [15]
213
pro kryté bazény
pro nekryté bazény
Měsíční počet návštěvníků se potom stanoví ze vztahu
Celková měsíční potřeba tepla na ohřev bazénové vody Qp,c [kWh/měs] při
bilancování bazénové solární soustavy je potom
Qp,c = Qp,z +Qp,SV

Stanovení využitelných tepelných zisků solární soustavy
Teoretický měsíční využitelný tepelný zisk ze solárních kolektorů Qk,u [kWh/měs] je
dán vztahem
kde
ηk - je průměrná denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru;
HT,den - skutečná denní dávka slunečního ozáření (pro různé sklony a orientace
plochy kolektorů, viz tabulka), v kWh/m2den;
Ak - plocha apertury solárního kolektoru, v m2;
p - hodnota srážky tepelných zisků z kolektoru vlivem tepelných ztrát solární
soustavy (rozvody, solární zásobník); pro typické případy jsou hodnoty uvedeny
v následující tabulce.
Typ solární soustavy
p
Bazén, ohřev bazénové vody
0.01
Příprava teplé vody, do 10 m2
0.20
Příprava teplé vody, od 10 do 50 m2
0.10
Příprava teplé vody, od 50 do 200 m2
0.05
Příprava teplé vody, nad 200 m2
0.03
Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m2
0.30
Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m2
0.20
Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m 2 0.10
214
Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m 2
0.06
Tab. 5.11. Srážka z tepelných zisků ze solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát
Průměrná denní účinnost solárního kolektoru se stanoví z rovnice
kde
GT,m - je střední denní sluneční ozáření uvažované plochy solárních kolektorů
(pro různé sklony a orientace plochy kolektorů, viz tabulka P3 v příloze), ve
W/m2;
tk,m - průměrná teplota teplonosné kapaliny v solárních kolektorech v průběhu
dne, v °C; hodnota se stanoví podle typu aplikace;
tes - průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu, v °C (hodnoty viz
tabulka P2 v příloze).
Parametry solárního kolektoru, tzn. hodnotu „optické“ účinnosti η 0 [-], lineárního
součinitele tepelné ztráty a1 [W/m2K] a kvadratického součinitele tepelné ztráty
kolektoru a2 [W/m2K2], vztažené k ploše apertury solárního kolektoru, by měl
poskytnout výrobce nebo dodavatel kolektoru, případně zkušebna nebo certifikační
orgán (součást protokolu, osvědčení o certifikaci) na základě výkonových zkoušek.
Typ aplikace
tk,m [°C]
Ohřev bazénové vody
30
Předehřev teplé vody, dimenzování do pokrytí cca 35 %
35
Příprava teplé vody, pokrytí do 70 %
40
Příprava teplé vody a vytápění
50
Tab. 5.12. Průměrná teplota v solárních kolektorech
Využitelné zisky solární soustavy Qss,u [kWh/měs], pokrývající potřebu tepla v dané
aplikaci, se vyjádří jako průnik křivky potřeby tepla a teoreticky využitelných zisků
solárních kolektorů. Matematicky vyjádřeno jde o stanovení minimální hodnoty z
teoretických tepelných zisků solárních kolektorů a celkové potřeby tepla v
jednotlivých měsících
215
Obr. 5.51. Grafické znázornění stanovení využitelných solárních zisků (šrafovaná
plocha)
Celkové roční využitelné tepelné zisky solární soustavy v kWh/rok se stanoví jako
součet takto získaných měsíčních hodnot. Ze stanovených ročních využitelných zisků
je možné určit měrné využitelné tepelné zisky jako
Roční měrné využitelné zisky solární soustavy qss,u [kWh/m2.rok] se používají jako
energetické, ekologické či ekonomické kritérium pro posouzení úspory energie, emisí
či provozních nákladů z 1 m2 instalovaných solárních kolektorů.
Z měsíčních a ročních hodnot využitelných tepelných zisků solární soustavy Qss,u je
možné dále určit solární pokrytí (solární podíl) f [%], tj. procentní pokrytí potřeby tepla
v dané aplikaci využitelnými tepelnými zisky v daném období podle vztahu
216
Tab. 5.13. Skutečná denní dávka celkového slunečního ozáření HT,den [kWh/m2]
dopadající za den na různě orientovanou a skloněnou plochu v jednotlivých měsících
pro charakteristickou oblast město
Tab. 5.14. Střední měsíční venkovní teplota tep [°C], střední teplota v době
slunečního svitu tes [°C],střední teplota v noci ten [°C] (mimo dobu slunečního svitu)
a teoretická doba slunečního svitu τs [h/měs]
217
Tab. 5.15. Střední hodnota slunečního ozáření GT,m [W/m2] na různě orientovanou a
skloněnou plochu pro charakteristickou oblast město
218
5.2. Větrné zdroje
Vítr je jedním z nejdéle využívaných obnovitelných zdrojů v historii lidstva. I dnes
ještě pohání lodě. Častěji se však setkáme s větrnými elektrárnami. Vítr totiž lze na
elektřinu přeměnit poměrně snadno. Využívání větru tak napomůže splnění
národního cíle – pokrýt v roce 2020 z obnovitelných zdrojů 13 % konečné spotřeby
energie. Návrh politiky ochrany klimatu zpracovaný MŽP ČR předpokládá, že do roku
2020 může být v ČR vyrobeno z větru 2,6 mil. MWh elektřiny. To je desetkrát více,
než se vyrobilo v roce 2008, avšak v celkové bilanci to jsou jen 3 % celkové výroby
elektřiny. Zpráva tzv. Pačesovy komise odhaduje potenciál větrné energie v ČR na 6
mil. MWh ročně. Je zřejmé, že větrné elektrárny nebudou v energetice ČR hrát
většinovou roli. Přesto jde o významný potenciál čisté energie, který by bylo škoda
nevyužít. Jde i o cestu ke snížení emisí CO2 a zvýšení energetické soběstačnosti.
I když se v ČR větrné elektrárny staví od devadesátých let, větší zájem vidíme až v
posledních letech. Zájem investorů stoupnul po přijetí zákona o podpoře výroby
elektřiny z obnovitelných zdrojů (v roce 2005), který investorům garantuje
ekonomickou návratnost do 15 let.
I když v minulosti existovaly různé dotační programy, ve skutečnosti byla většina
českých elektráren postavena bez dotace. Díky výkupním cenám může mít větrná
elektrárna přijatelnou návratnost i bez dalších podpor. Výkupní cena je nastavena
tak, aby při dodržení určitých parametrů byla návratnost investice 15 let. Pokud má
elektrárna ve skutečnosti parametry lepší (např. nižší investiční náklady), vrátí se
investice dříve a naopak.
EU celkem
64 989MW
Německo
23 903
Španělsko
16 740
Itálie
3 736
Francie
3 404
Velká Británie
3 241
Dánsko
3 180
Portugalsko
2 862
Nizoemsko
2 225
Švédsko
1 021
219
Irsko
1 002
Rakousko
995
Řecko
985
Polsko
472
Belgie
384
Bulharsko
158
Česká republika 150
Finsko
143
Maďarsko
127
Estonsko
78
Lucembursko
35
Litva
27
Lotyšsko
27
Rumunsko
10
Slovensko
3
Tab. 5.16. Instalovaný výkon větrných elektráren koncem roku 2008 v evropských
zemích
Obr. 5.52. Instalovaný výkon větrných elektráren v ČR, 1993 -2009
Podmínky v ČR
220
Česká republika jako vnitrozemský stát nemá pro využití větru příliš dobré podmínky.
Současné technologie, vyvinuté pro vnitrozemské elektrárny, si však umí dobře
poradit i s kolísavou rychlostí větru, relativně častou změnou směru i námrazami.
Pro výrobu elektřiny je nejdůležitějším parametrem rychlost větru. Energie větru totiž
roste se třetí mocninou rychlosti, takže např. vítr o rychlosti 5 m/s má dvakrát více
energie než při rychlosti 4 m/s. Problémem je ale i příliš vysoká rychlost větru – při
rychlosti kolem 20 m/s je obvykle nutno elektrárnu zastavit (zabrzdit vrtuli), aby
nedošlo k havárii. Plného (jmenovitého) výkonu dosahuje elektrárna při rychlostech
větru kolem 10, někdy až 15 m/s – podle typu a výrobce. Takto silný vítr fouká jen
zřídka, elektrárna tedy většinu provozní doby běží na nižší výkon.
Vítr je brzděn stromy, budovami a terénními nerovnostmi, ale i povrchem terénu
(tráva, les, vodní hladina, sníh...). Platí tedy, že ve větších výškách je rychlost větru
vyšší. Rychlost větru roste logaritmicky s výškou nad terénem. Je tedy velký rozdíl
mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem. To je důvod, proč se staví
stále vyšší elektrárny (běžně má stožár výšku 80 až 110 m).
Obr. 5.53. Výsledné pole průměrné rychlosti větru v m/s ve výšce 100 m
Trendem je výstavba stále větších strojů (běžně o průměru rotoru 80 až 100 metrů a
výkonu 2 až 3 MW). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a
maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Na moři (poblíž pobřeží) se
využívají turbíny s výkonem až 5 MW. Naopak starší vnitrozemské elektrárny s
výkony do 200 kW se demontují a nahrazují silnějšími, i když jsou ještě
provozuschopné. V ČR se však tyto repasované stroje nepoužívají, protože nemají
nárok na výhodné výkupní ceny (ty platí pouze pro větrné elektrárny, které nejsou
starší než 2 roky).
221
Elektrárny uvedené do
provozu
Výkupní cena elektřiny do sítě
Kč/kWh
Zelené bonusy
Kč/kWh
Po 1.1.2010
2,30
1,83
Po 1.1.2009
2,39
1,99
Po 1.1.2008
2,61
2,21
Po 1.1.2007
2,68
2,28
Po 1.1.2006
2,73
2,33
Po 1.1.2005
2,99
2,59
Po 1.1.2004
3,14
2,74
Před 1.1.2004
3,48
3,08
Tab. 5.17. Výkupní ceny za elektřinu z větrných elektráren pro rok 2010
Lze se setkat s tvrzením, že větrné elektrárny potřebují záložní zdroje, které budou
dodávat proud do sítě v době, kdy vítr nefouká. Ve skutečnosti je v ČR z hlediska
větrných elektráren současná kapacita záložních zdrojů více než dostatečná. Ke
konci roku 2009 činil instalovaný výkon větrných elektráren 193 MW. Instalovaný
výkon všech zdrojů v ČR je 18 323 MW, tedy téměř stonásobek. Elektrická soustava
ČR zvládá bez problémů náhodný výpadek 1 000 MW jednoho z bloků jaderné
elektrárny Temelín, zvládla by tedy jistě stejně dobře nahradit i stejně velký výkon
větrných elektráren – které ovšem nikdy nevypnou všechny najednou.
Až na výjimky jsou větrné elektrárny připojeny do rozvodné sítě a slouží pro
komerční výrobu elektřiny. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování
a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren), tzv.
větrných farem.
Systémy nezávislé na rozvodné síti (tzv. ostrovní systémy) obvykle používají
mikroelektrárny s výkonem od 0,1 do 5 kW. Součástí ostrovního systému jsou i
akumulátory a řídící elektronika. V objektu pak může být buď rozvod stejnosměrného
proudu s nízkým napětím (12 nebo 24 V), nebo je v systému zapojen ještě střídač
pro dodávku střídavého proudu 200 V. Podle toho je nutno objekt vybavit energeticky
úspornými spotřebiči. Autonomní systémy bývají často doplněny fotovoltaickými
panely pro letní období, kdy je méně větru, ale více sluníčka.

Omezení
Obvykle platí, že stavba větrné elektrárny má smysl tam, kde je průměrná roční
rychlost větru ve výšce 100 m nad terénem minimálně kolem 6 m/s. To jsou lokality
222
převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m. Mnoho lokalit s
dostatečnou rychlostí větru ovšem leží v území, kde jsou i jiné zájmy, zejména
ochrana přírody. Jinde je možno dostat se do konfliktu s požadavky na letecký
provoz apod. Dalším problémem může být výstavba elektrického vedení mezi
elektrárnou a místem připojení k síti.
U větrných elektráren s výkonem nad 500 kW nebo se stožárem vyšším než 35 m je
nutné provést tzv. zjišťovací řízení podle zákona o EIA. V rámci tohoto řízení úřad
rozhodne, zda uloží provést úplné posouzení vlivu na životní prostředí (tzv. „velká
EIA“). To je obvykle vyžadováno u každého projektu. Hodnocen je především vliv na
krajinný ráz, ptactvo a hlučnost.

Přínosy
Základním přínosem větrné elektrárny je snížení emisí CO2 a ostatních emisí z
výroby elektřiny, jakož i množství souvisejících tuhých a radioaktivních odpadů. Na
národní úrovni je důležité i snížení spotřeby fosilních paliv. Větrná elektrárna s
výkonem 1 MW ušetří za rok asi 2 200 tun CO2 a vyrobí elektřinu pro zhruba
tisícovku domácností.
Elektrárna sama o sobě nepřináší obci, v jejímž katastru se nachází, žádný přímý
zisk (pokud není obec jejím majitelem). V ČR proto provozovatelé nabízejí obcím
dobrovolný příspěvek v řádu desítek až stovek tisíc Kč ročně za jednu elektrárnu.
Přínos pro obec však může být nepřímý – elektrárna je například zajímavý cíl pro
cykloturisty nebo odborné exkurze. Zajímavým způsobem vyšli zájemcům vstříc v
rakouském městě Bruck an der Leitha poblíž Vídně. Zde je na věži jedné z elektráren
vyhlídková terasa.
Zajímavý je také rakouský model spolupráce investora s místními obyvateli,
používaný při stavbě nových větrných parků. Investor nabídne místním občanům
možnost vložit do výstavby své peníze, například formou akcií. Jejich výnos je vyšší
než u běžných spořících účtů, ale zato časově omezený (např. po dobu 13 let). Z
hlediska ekonomiky projektu je tento finanční zdroj málo důležitý, ale má značný
význam z hlediska spolupráce s místní komunitou. Lidé, kteří jsou do projektu tímto
způsobem osobně zapojeni, jsou na „svůj“ větrný park velmi hrdí.
Větrné elektrárny a životní prostředí
I když jsou větrné elektrárny často symbolem ekologické výroby elektřiny, jsou jim
vytýkána i některá negativa. Obvykle neprávem – současné elektrárny jsou mnohem
modernější, než byly před deseti lety.
Hlučnost současných strojů je poměrně nízká. Elektrárny jsou navíc stavěny v
dostatečné vzdálenosti od obydlí. Hluková studie bývá součástí dokumentace nutné
ke stavebnímu povolení. U existujících instalací lze provést měření a na jeho základě
případně omezit jejich provoz. To se týká jak slyšitelného zvuku, tak infrazvuku.
Současné stroje produkují infrazvuk hluboko pod požadavky hygienických předpisů.
Přestože je snížení hluku věnována v konstrukci moderních elektráren velká
223
pozornost, může nevhodně umístěná elektrárna působit nepříjemnosti. Malé větrné
elektrárny jsou rychloběžné (mají vysoké otáčky rotoru), a mohou být poměrně
hlučné.
Stroboskopický efekt (vrhání pohyblivých stínů, je-li slunce nízko nad obzorem) není
v praxi závažný, zejména právě kvůli vzdálenosti instalací od lidských obydlí.
Podobně i odraz slunce na lopatkách je díky matným nátěrům již minulostí.
Rušení zvěře podle praktických zkušeností nenastává. Dokladem jsou ovce a krávy,
ale i divoká zvěř pasoucí se v těsné blízkosti elektráren. Podle některých studií se v
okolí elektráren zvýšil i počet hnízdících ptáků. Vysvětluje se to jednak tím, že
elektrárny jsou dobrým orientačním bodem v krajině a jednak tím, že rotory mohou
rušit dravé ptáky.
Ke kolizím rotoru s ptáky a netopýry dochází zpravidla pouze v noci a za mlhy.
Přesto nejsou nijak četné a rozhodně nedosahují rozměrů úmrtí na drátech
elektrického vedení, silnicích nebo po kolizi s prosklenými plochami staveb. Větrná
elektrárna by ovšem neměla nikdy stát v místě migračního tahu. Těmto oblastem se
dá vyhnout.
Rušení televizního signálu může nastat. Závisí na pozici televizního vysílače,
elektrárny a domů, které mají anténu. Týká se opět jen blízkého okolí elektrárny.
Díky tomu, že v ČR je většina lokalit daleko od osídlení, jde o problém spíše
teoretický. Pokud k rušení dojde, lze přejít na satelitní příjem.
Narušení krajinného rázu je nejspíše nejproblematičtější. Někomu se elektrárny líbí,
někomu ne. V české krajině, kde lze jen s obtížemi najít panorama nerušené stožáry
elektrického vedení či vysílači mobilních operátorů, představují větrné elektrárny
další, zatím nezvyklý prvek. Paradoxně se u nich někdy dostává do konfliktu
požadavek státní ochrany přírody na „nenápadnost“ elektrárny s požadavkem
bezpečnosti leteckého provozu na umístění zábleskového zařízení na vrchol stožáru
kvůli jeho dobré viditelnosti. Projevuje se i trend zvyšování instalovaného výkonu a
tím i velikosti větrných elektráren. Elektráren tak může být v daném místě méně, ale
současně budou vyšší a větší, a tím více viditelné. Elektrárny ale mohou také pomoci
snížit počet různých stožárů v krajině. Na stožár jedné elektrárny lze umístit několik
různých telekomunikačních zařízení (zejména vysílače mobilních operátorů), které
bohužel často mají každý svůj vlastní stožár. Díky umístění ve větší výšce mohou
pak vysílače pokrýt větší území. Důležité je, že po 20 letech ekonomické životnosti
elektrárna nejspíše zmizí a investor i úřady se mohou znova rozhodnout, zda budou
chtít stavět na původním místě novou, modernější elektrárnu, nebo ne.
5.3. Tepelná čerpadla
Tepelné čerpadlo je zařízení, které využívá nízkopotenciální energii ze svého okolí.
K svému provozu je nutné mu dodávat určité množství energie. Dnes jsou již
dominantním typem tepelných čerpadel kompresorová tepelná čerpadla napájená z
elektrické sítě. Existuje však řada jiných typů pracujících na odlišných principech
224
nebo používajících jiný druh pohonu. Historie tepelných čerpadel sahá až do 19.
století, kdy byl poprvé popsán princip fungování zařízení využívajícího
nízkopotenciální energii okolí. K realizaci však došlo až na počátku 20. století ve
Švýcarsku. Je jen symbolické, že jednou z prvních budov vytápěných tepelným
čerpadlem je sídlo Organizace spojených národů (v té době Spojených národů) v
Ženevě. K vytápění této budovy se využívá energie z Ženevského jezera již přes 80
let. K širšímu uplatnění tepelných čerpadel nastává od 80. let 20. století, kdy dochází
k výraznému nárůstu cen energií. Cena energií je významným faktorem ovlivňujícím
poptávku po tepelných čerpadlech. V posledních letech došlo k výraznému růstu
ceny všech druhů energií a tento vzestup byl doprovázen silným nástupem poptávky
po tepelných čerpadlech. Ve vyspělých evropských státech je využití tepelných
čerpadel pro vytápění domu běžnou záležitostí a ve Švédsku je dokonce 70
novostaveb vybaveno tímto zařízením. Podobné rozšíření užití tepelných čerpadel v
České republice se dá v budoucnosti očekávat ať už z důvodu dalšího růstu cen
energií nebo zvyšování ekonomické úrovně.
V současné době, více než kdy jindy, jsou kladeny stále větší nároky na úspory
energií, na ekologické dopady téměř všech produktů, které doprovázejí život člověka,
přičemž se stále klade důraz na zachování praktičnosti a pohodlnosti jejich
používání. Rostoucí ceny zdrojů, což je fenomén dominující od poslední třetiny 20.
století, dávají šanci dříve nerentabilním metodám. Jednou z nich jsou tepelná
čerpadla využívaná pro produkci tepla na různé účely. Ačkoliv je princip tepelného
čerpadla (dále TČ) znám již od 19. století, splňuje tato metoda využívání okolního
tepla veškeré moderní požadavky. Pomocí nich se dá dosáhnout vysoké úspory
energií, někteří výrobci udávají až 80 z původní hodnoty, a zároveň je tento způsob
přátelský k životnímu prostředí. Tepelná čerpadla jsou tedy ekonomická, ekologická
a v současné době velmi dobře zapadají do stále sílícího myšlenkového proudu
preferujícího trvale udržitelný rozvoj.
225
Obr. 5.54. Emise CO2 pro různé druhy vytápění
Mnohé vlády se dnes snaží různými způsoby podporovat širokou škálu alternativních
přístupů k vytápění a produkci elektrické energie. Důvodem jsou dlouhodobé
mezinárodní závazky na snižování produkce CO2 a zvyšování podílů produkce
elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Dnes tak existuje několik programů, ze
kterých mohou subjekty, po splnění příslušných podmínek, čerpat finanční prostředky
na realizaci tepelných čerpadel. Od roku 2009 jsou navíc tyto prostředky
nárokovatelné. Tyto pobídky vedou ke stále většímu zájmu o tepelná čerpadla jako
zdroj tepla pro vytápění rodinných domů.
Historie
Tepelné čerpadlo je zařízení, do kterého vstupují tepelné toky při nižší teplotě a
energetické toky potřebné na pohon tepelného čerpadla a na druhé straně vystupují
tepelné toky s vyšší teplotou jako produkt tepelného čerpadla. Je to tedy zařízení,
které dokáže využívat nízkopotenciální teplo k vytápění prostor nebo ohřevu vody.
Vývoj tepelných čerpadel je silně spjatý s rozvojem chladících zařízení. Tepelné
čerpadlo pracuje na stejném principu jako lednička, ale liší se řadou technických
vlastností. Rozdíl je především ve vnímání jeho funkce. Z chladícího zařízení
využíváme chlad z tepelného čerpadla teplo, ale termodynamické principy zůstávají
nezměněny.
Chladící zařízení s parním oběhem popsal jako první O. Evans již v roce 1805.
V první třetině 19. století nadále probíhal prudký rozvoj páry v roce 1824 publikoval
S. N. L. Carnot dílo "Úvahy o hybné síle a ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu", ve
kterém popsal známý Carnotův cyklus. Na jeho práce navázal William Thomson,
226
který v roce 1852 formuloval princip tepelného čerpadla. Kjeho realizaci však bylo
třeba ještě mnoho let.
První prakticky použitelný systém tepelného čerpadla byl uveden do provozu až v
roce 1924 ve Švýcarsku. Další rozvoj byl podmíněn využitím nových chladiv. Velký
rozmach znamenalo používání bezpečných nejedovatých a chemicky stálých chladiv
na bázi chlorovaných úhlovodíků. V 80. letech 20. století však byl prokázán negativní
vliv chloru na ozónovou vrstvu Země a tyto chladiva byla nahrazena ekologickými.
Širšímu využívání tepelných čerpadel zpočátku také bránila vysoká cena zařízení ve
vztahu k nízkým cenám energií. S jejich rostoucími cenami od 80. let 20. století se v
širší míře uplatňují také TČ. V současné době se ve vyspělých zemích tepelné
čerpadla stávají standartním zdrojem tepla. Ve Švýcarsku je dnes každá třetí
novostavba vybavena tepelným čerpadlem, ve Švédsku je to dokonce 7 z 10
novostaveb.
Obr. 5.55. Prodej tepelných čerpadel v Německu od roku 1996 do roku 2007
Princip fungování tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo je energetické zařízení, které využívá nízkopotenciální energii ze
svého okolí. K přečerpávání tepla z okolního prostředí je třeba dodávat určité
množství energie, obvykle elektrické. V současné době je naprostá většina TČ
vybavena kompresory, i když existují i TČ založená na jiných principech, například
absorpčních nebo tepelná čerpadla termoelektrická, či s paroproudovým oběhem.
227
Obr. 5.56. Obecné schéma tepelného čerpadla s kompresorem
Na výše uvedeném obrázku je znázorněno obecné schéma TČ. Na vstupní straně,
tzv. primární straně TČ, je vždy výměník tepla nazývaný výparník. K výparníku je
přiváděno nízkoteplotní teplo z okolního prostředí, které je v něm přeneseno do
pracovní látky a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického expanzivního
ventilu (TEV) vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak ve výměníku za
TEV je nižší, což způsobuje rychlejší odpařování chladiva. Toto způsobí, že se celý
výparník podchladí na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého je teplo
odebíráno. Tímto způsobem je v TČ dosaženo toho, že nízkoteplotní teplo ohřívá
podchlazený plyn za platnosti druhé věty termodynamické
Ohřátý, však stále s nízkou teplotou, podchlazený plyn je nasáván kompresorem,
který jej stlačuje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá ještě část energie
ve formě ztrátového tepla z elektromotoru kompresoru a tepla vzniklého třením jeho
pohyblivých ploch. Stlačení kompresorem vede k silnému zahřátí plynu, který má na
výtlaku z kompresoru vyšší teplotu než voda v topném systému a je veden do
sekundárního výměníku, tzv. kondensátoru, ve kterém proudí topná voda.
228
V kondensátoru dochází ke zkapalnění horkého plynu a jeho teplo je předáno
chladnější topné vodě, stále platí druhá věta termodynamická. Zkapalněný plyn je z
kondensátoru veden do expanzivního ventilu.
Expanzivní ventil provádí izoentalpickou expanzi pracovní látky. To je realizováno
zúžením průřezu v jednom místě nebo na určité délce. Expanzí při níž dojde k
poklesu tlaku a zpomalení proudu nastává proces škrcení při konstantní entalpii.
Expandovaný plyn je přiváděn opět přiváděn do výparníku a celý cyklus se opakuje
Obr. 5.57. diagram, teoretický pracovní cyklus tepelného čerpadla
Na diagramu je znázorněn teoretický pracovní cyklus tepelného čerpadla. Je to tzv. T
- S diagram nazývaný Carnotův cyklus, kde:
T
teplota [K]
S
entropie [kJ/kg]
Tin
je teplota zdroje tepla [K]
T out je teplota na výstupu [K]
Qin
je energie získaná z nízkoteplotního zdroje při teplotě T in
Qel
je energii dodané do pracovního stroje při kompresi
229
Qout je součtem energií Qin a Qout. Je to výsledná, která je při teplotě T out
dodávaná do topného systému
Pracovní cyklus se skládá z několika fázi:
1-2
izotermické vypařování - plyn se izotermicky rozpíná
2-3
adiabatická komprese, dochází ke stlačování plynu, který je dokonale tepelně
izolován.
Nedochází k výměně tepla s okolím.
3-4
izotermická kondenzace - stlačování plynu za konstantní
4-1
adiabatická expanse, dochází k expanzi plynu, který je dokonale tepelně
izolován.
Nedochází k výměně tepla s okolím.
Důležitým poznatkem pro popis tepelného čerpadla je, že celková výstupní energie je
vyšší ne energie dodaná do kompresoru. Pro charakteristiku konkrétních TČ se
vypočítává topný faktor, označovaný jako COP.
Výpočet topného faktoru:
(
)
(
)
Z uvedeného vyplývá, že topný faktor je vždy větší než 1 a nabývá vyšších hodnot
tehdy, jeli rozdíl mezi Tin a Tout co nejmenší. V praxi je tedy výhodnější používat
zdroje tepla s co nejvyšší teplotou a teplo dodávat do topných systémů, které pracují
s co nejnižší teplotou. Tyto parametry pro topné systémy splňuje například
podlahové vytápění.
Chladidla
Chladiva jsou látky, které slouží k přenosu tepla v chladivovém okruhu a jsou na ně
kladeny specifické požadavky. Tyto látky by se měly především snadno odpařovat a
zkapalňovat a musí mít vhodné termodynamické a chemické vlastnosti. Mohou to být
čisté jednosložkové sloučeniny, nebo směsi dvou a více sloučenin.

Dělení chladiv podle fyzikálních vlastností
Podle teplotních vlastností a poměru složek se chladiva dělí na azeotropní a
zeotropní.
Azeotropni chladiva
Jsou taková chladiva, která se chovají jako čisté kapaliny. Během fázové přeměny z
páry na kapalinu se složení par a kapaliny nemění. Příkladem jednosložkových
azeotropních chladiv jsou R22, R290, a azeotropních směsí jsou R502 nebo R507.
230
Zeotropni chladiva
Jsou směsi složené z více druhů chladiv, které mají během fázové přeměny páry na
kapalinu proměnné složení. Příkladem zeotropních chladiv je R407a. U zeotropních
chladiv se uvádí glide (teplotní skluz), který znamená rozdíl mezi teplotami varu při
stejném tlaku.

Dělení chladiv podle chemického složení
Chladiva se podle chemického složení dělí do 4 skupin
CFC
Všechny atomy vodíku jsou v molekulách nahrazeny atomy prvků ze skupiny
halogenů nejčastěji prvky: fluor, chlor a méně často brom. Tyto chladiva bývají také
někdy označována jako "tvrdé freony". Příkladem chladiv jsou Rll, R12, RI13, R502
...
HCFC
Jsou to uhlovodíky, jejichž molekuly obsahují fluor, chlor a vodík. Bývají označovány
jako "měkké freony". Příkladem chladiv z této skupiny jsou R21, R141b, RI23 ...
HFC
Jsou uhlovodíky, které mají v molekule fluor a vodík. Příkladem chladiv jsou R134a,
R125, R404a, R218 ...
HC
Jsou přírodní uhlovodíky, které neobsahují halogenové prvky, jsou však hořlavé.
Nemají škodlivý vliv na ozónovou vrstvu Země a minimální skleníkový efekt.

Další skupiny
Dalšími skupinami jsou anorganická chladiva (CO2 - R744, vzduch - R729, voda R718 ... ) nebo sloučeniny dusíku. Velmi známé chladivo na bázi dusíku je čpavek NH3, je však jedovatý a je využíván především ve velkých chladicích systémech.
Kompresory
Kompresory se v TČ využívají ke stlačování par chladiva, které do něj přichází z
výparníku. Stlačením par dojde k výraznému nárůstu teploty, což umožňuje po
předání tepla v kondenzátoru do topné vody, využití nízkopotenciální energie. Tlaky v
sacím a výtlačném potrubí se pohybují od 0,1 do 2,5 MPa, kde horní hranice
dosahují především tlaky na výtlaku, a samotné kompresory dosahují tlaku až 3
MPa. Poměr výtlačného a sacího tlaku se nazývá kompresní poměr. Teploty par se
pohybují od (-20 do + 10)OC na vstupu a (60 až 100)OC na výstupu.

Druhy kompresorů podle provedení:
231
Hermetický - toto provedení se vyznačuje společnou olejovou náplní, nádobou a
hřídeli pro elektromotor i kompresor. Toto zajišťuje úplnou těsnost, což zabraňuje
jakémukoliv úniku chladiva.
Polohermeticky - elektromotor i kompresor jsou na společné hřídeli uzavřené v
hermetické skříni avšak přístupné pomocí demontovatelných vík. Nejčastější použití
je u pístových kompresorů pro větší chladící zařízení.
Otevřený - toto provedení představuje samotný kompresor, jehož hřídel je utěsněna
a pro pohon může být použit jakýkoliv motor. Použití se uplatňuje v klimatizacích
automo bilů.

Hermetický spirálový kompresor Scroll
Tento typ kompresoru byl patentován sice již na počátku 20. století, ale k jeho využití
v praxi došlo až v současné době. Skládá se ze dvou spirál vložených do sebe. Horní
díl je pevný a je vybaven uprostřed otvorem s výtlačnou trubkou. Spodní díl krouží v
horním pomocí excentru umístěném na hřídeli motoru. Tímto mechanismem se
vytváří plynové kapsy, které se posouvají ke středu spirál a zmenšují svůj objem ústí
do středního otvoru horní spirály. Hlavní výhodou je téměř 100 objemová účinnost,
nižší vibrace, které umožňují tišší chod. Jsou odolné proti nasání kapalného chladiva,
ale smysl otáčení motoru musí být dodržen, jeho změna by způsobila poškození
motoru. Frekvence jeho zapojení je dle výrobce nejvýše 6x za hodinu.
232
Obr. 5.58. Kompresor Scroll
Tento typ je nejrozšířenějším kompresorem vůbec díky jeho použití v chladničkách a
mrazících zařízeních. Elektromotor je chlazen parami chladiva a olejová náplň je
společná. Výkonnější kompresory bývají vybaveny vnitřní ochranou vinutí motoru,
které při jeho přehřátí vypnou chod, dokud nedojde k ochlazení na přípustnou
teplotu. Kompresory bývají obaleny tlumícím krytem od výrobce, který zároveň slouží
i jako tepelná izolace.

Šroubový kompresor
Tento typ kompresoru se skládá ze dvou šroubových rotorů, které do sebe vzájemně
zapadají. Jejich konstrukce a výroba je velmi náročná a bývají tak použity pouze pro
vysoké výkony.
Tepelné výměníky
Tepelné výměníky slouží k přenosu tepla mezi médii, aniž by došlo k jejich fyzickému
kontaktu, přičemž aby toho bylo dosaženo, musí mezi nimi být teplotní rozdíl (podle
druhé věty termodynamické). Tepelná čerpadla využívají tepelné výměníky při
přenosu tepla z vnějšího prostředí (výparník) a k přenosu tepla stlačených par do
topné vody (kondenzátor).
233

Deskový výměník
Deskový výměník se skládá obvykle z nerezových desek, které mají tvarované pro
lisy tak, že po složení do sebe tvoří dvě skupiny kanálků, ve kterých proudí
teplonosné médium. Desky jsou k sobě na mnoha místech spájeny nebo svařeny což
zajišťuje odolnost vůči vysokým tlakům. Tlaky v běžných provozních podmínkách
dosahují 1,6 až 3,2 MPa. Jejich hlavní výhodou je vysoká účinnost a velký přenášený
výkon při malých rozměrech. Naopak nevýhodou jsou relativně vysoké tlakové ztráty
a mezery mezi deskami se díky svým malým rozměrům mohou zanést nečistotami a
ucpat.

Lamelový výměník vzduch - chladivo
Tento druh výměníku se skládá alespoň z jedné řady měděných trubek, které mají
pro zvětšení povrchu hliníkové lamely. Trubkový okruh může být jediný, ale často je
okruhů více vzájemně paralelně propojených. Pokud jsou použity k TČ vzduch - voda
musí být na jejich vstupu vybaveny rozdělovačem vstřiku chladiva, který zajišťuje
jeho rovnoměrné rozdělení. Jejich použití je v klimatizačních i chladicích zařízeních z
měděných trubek nebo celohliníkové modely.

Ventilátory
Vzduch je proháněn tímto druhem výměníku pomocí ventilátorů. Podle výkonu a
konstrukce vnější jednotky mohou být požity i dva ventilátory. Pro pohon se používají
asynchronní jednofázové elektromotory s rozběhovými kondenzátory.

Trubkové výměníky
Existuje mnoho druhů trubkových výměníků. Jedním z nich je tvořen válcovou
nádobou většího průměru, do které je vložena alespoň jedna trubka spirálovitě
vinutá. Dalším typem je výměník tvořený alespoň jednou trubkou vloženou do trubky
většího průměru. U obou typů výměníku proudí v trubkách největšího průměru voda
či solanka a v trubkách do nich vložených pak médium, obvykle chladivo. Pro
dosažení velké teplosměnné plochy musí trubky být velmi dlouhé, což bývá řešeno
jejich svinutím do kruhů adekvátního průměru.
234
Obr. 5.59. Trubkový výměník
Typy tepelných čerpadel
Tepelná čerpadla se rozdělují podle toho, jakým způsobem získávají teplo z okolního
prostředí. Volba primárního zdroje tepla má rozhodující vliv jak na konstrukci a
vlastnosti tak na finanční náročnost realizace tepelného čerpadla. V názvech
systémů TČ první slovo znamená vždy zdroj nízkoteplotního tepla, druhé označuje
médium, do kterého se teplo předává.

Druhy tepelných čerpadel:

vzduch - voda, tento systém odebírá teplo z okolního nebo odpadního
vzduchu

voda - voda, tento systém odebírá teplo z vody, která je přímo v kontaktu s
výměníkem. Primární okruh je tedy otevřený

země - voda, tento systém odebírá teplo z půdy pomocí kolektorů. Primární
okruh je uzavřený a je vyplněn nemrznoucí směsí.
Existují také systémy, které teplo získané z primárního okruhu přenáší ve výstupním
okruhu do vzduchu. Tyto systémy jsou v jednodušších verzích používány jako
klimatizační zařízení, mají nízký výkon, a proto se nehodí pro vytápění.

TČ VZDUCH - VODA
Okolní atmosféra je vhodným zdrojem tepla pro oběh tepelného čerpadla z hlediska
takřka neomezeného množství energie. Na primární straně tepelného čerpadla
vzduch - voda je obvykle zapojen trubkový výparník, který je opatřen ventilátorem pro
zlepšení přenosu tepla. Obvyklá konstrukce tepelného čerpadla je dvoudílná.
Venkovní a vnitřní část jsou spojeny izolovanými měděnými trubkami, v nichž proudí
chladivo. Ventilátory mají obvykle malý příkon, a podle konstrukce výparníku mají
235
horizontální či vertikální osu. Pro systémy tepelných čerpadel s velkým výkonem je
používáno několik ventilátorů najedou.
Dalším provedením TČ vzduch - voda je označováno jako kompaktní. Celé tepelné
čerpadlo je vcelku a je od výrobce naplněno chladivem. V sekundárním výměníku
pak proudí topná voda a toto tepelně izolované potrubí vede do domu. Kompaktní
tepelná čerpadla bývají také někdy instalována přímo uvnitř budovy. Pokud je zvolen
tento způsob instalace pak je TČ instalované nejčastěji ve sklepení, v podkroví nebo
na půdě budovy. Vzduch je k nim přiváděn tepelně izolovaným potrubím, přičemž
musí být zajištěno, aby se do sání nedostával ochlazený vzduch z výfuku. Vzduch,
který je z tepelného čerpadla vyfukován by měl být vhodně namířen. Neměl by
směřovat na objekty, které by dlouhodobě proudící chladný vzduch z výfuku mohl
poškodit.
Obr. 5.60. Kompaktní TČ vzduch – voda umístěno v budově
U tohoto typu TČ, vzduch - voda, je nutné počítat s faktem, že na výparníku dochází
k vysrážení vodní páry, nebo se vytváří námraza, kterou je nutné, pro zajištění
funkce výparníku, odstranit. Námraza vzniká při teplotách vzduchu nula a níže a její
odstranění se provádí otočením chodu TČ, kdy se zamění funkce výměníků, nebo se
odtávání řeší zavedením topného tělesa či kabelu. Nutnost odstranění námrazy si
však ve všech řešeních vyžádá určité množství energie, což způsobuje pokles
topného faktoru TČ.
236
Obr. 5.61. Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu u
malého tepelného čerpadla s rotačním kompresorem
Obr. 5.62. Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu u
tepelného čerpadla s kompresorem scroll
Na výše uvedených grafech je zachycena závislost topného faktoru a topného
výkonu na teplotě venkovního vzduchu. Zásadním rozdílem, krom topného faktoru při
237
nižších teplotách nasávaného vzduchu, je cena. Ta je podstatně vyšší u zařízení
vybaveného kompresorem scroll.
Výhody TČ vzduch - voda
Jednoznačnou výhodou tohoto typu tepelného čerpadla je jeho jednoduchá a rychlá
instalace bez provádění zemních prací. Zároveň je tento sytém možné pořídit s
nižšími investičními náklady než u ostatních typů tepelných čerpadel neboť ty
vyžadují širší investice do zařízení získávající teplo z okolí. Velmi vhodným použitím
může být například vytápění sezónních bazénů.
Nevýhody TČ vzduch - voda
Hlavní nevýhodou u tohoto typu TČ je především fakt, že teplota prostředí, ze
kterého se teplo získává je oproti jiným typům TČ méně stálé a s klesající teplotou
klesá jeho výkon a topný faktor. To má za následek, že tyto typy TČ jsou
dimenzovány jen na 60 až 70 tepelných ztrát objektu při nejnižších teplotách.
Zbývající část tepla musí obstarat jiný zdroj tepla (nejčastěji elektrokotel), který bývá
zapnut, pokud teplota nasávaného vzduchu poklesne pod určitou hranici, při které
přestává být TČ efektivní. Tento typ TČ má také vyšší provozní náklady než tepelná
čerpadla země/voda. Jeho životnost je kratší a je třeba zajistit, aby hlučnost, kterou
zařízení vydává, nerušilo okolí.

TČ VODA - VODA
Dalším a zároveň také často nejlépe hodnoceným, zdrojem nízkoteplotního tepla je
voda. Dobré hodnocení získává především díky svým fyzikálním vlastnostem: vysoká
tepelná kapacita a dobré médium pro přenos tepla. Teplo z tohoto prostředí může být
čerpáno z povrchových vod, které představují jak povrchové toky, tak stojatých vod
(řeky, jezera, přehrady ... ) a z vod podpovrchových.
Přestože v zimních měsících dochází k poklesu teploty povrchových vod, je možné z
nich odvádět teplo výměníkem. Ten je umístěn bud' přímo ve vodě, nebo je zapuštěn
do břehu. Díky snížené teplotě říčních vod je nutnost, aby ve výměníku proudilo
nemrznoucí médium. Při nastání specifických podmínek může být voda čerpána
přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou ji pouštět do řeky. S touto alternativou
však vyvstává několik problémů. Jednak může dojít ke znečištění vody, zároveň
může docházet k zamrzávání hladiny a hrozí tak riziko poškození výměníku vlivem
průchodu ledových ker. Dále existuje požadavek, aby voda vracená zpět do toku
měla minimálně +2 °C (z biologických důvodů).
238
Obr. 5.63. Povrchová voda jako zdroj tepla
Další možností zdroje tepla, která při nastání vhodných podmínek může zastínit jiné,
je podzemní voda, například ze studny. Teplota spodních vod je během roku
víceméně stálá a pohybuje se v rozmezí od + 10°C do 8°C. Díky stabilitě tohoto
systému se dá očekávat, že výkon TČ bude relativně stálý i během zimního období a
velikost topného faktoru se bude stabilně pohybovat v mezích 4 - 5. Při průtoku vody
čerpadlem se voda ochlazuje asi o 3°C až 5°C. Větších hodnot by se nemělo
dosahovat, aby nedocházelo k zamrzání vody ve výparníku. Průtok primárním
okruhem musí být hlídán. Pokud by došlo k poruše, musí být TČ mimo provoz aby
nedošlo k zamrznutí vody ve výparníku, který by tímto mohl být poškozen.
Výkon
odebíraný z
vody
kW
3
5
8
10
Tepelný výkon TČ
s topným faktorem
3
4
kW
kW
4,5
4
7,5
6,7
12
10,7
15
13,3
Průtok vody při
ochlazení o 4K
Litr/min
11
18
29
36
m3/hod
0,6
1,1
1,7
2,2
Průtok vody při
ochlazení o 6K
Litr/min
7
12
19
24
Tab. 5.18. Potřebná vydatnost zdroje spodní vody
239
m3/hod
0,4
0,7
1,1
1,4
Obr. 5.64. Množství spodní vody v litrech na KW/h
Studny jsou velmi dobrým zdrojem tepla. Vyžadují však jisté parametry, aby mohly
nepřetržitě poskytovat nízkoteplotní energii. Velmi důležitým parametrem studny je
mít velké proudění podzemních vod, které vstupují do studny. Tyto vody odebírají
teplo z širšího okolí a dostatečně tak zásobují teplem vodu ve studni. Dalšími
požadavky, které jsou kladeny na studnu je jednak její velikost a dále čistota a
chemické složení vod, které se v ní nacházejí. Vyčerpaná voda se musí vracet zpět
do země pomocí druhé study, která se nazývá vsakovací. Jejich vzájemná
vzdálenost by měla být alespoň 10m a poloha by měla být uvažována, tak aby tok
podzemních vod směřoval od studny, ze které se voda čerpá.
Provozováním TČ je způsoben trvalý pohyb podzemních vod, který může časem
způsobit zanášení studní. Pro prověření této varianty jako zdroje tepla se provádí
čerpací zkouška, kdy se voda ze studny čerpá přibližně měsíc, přičemž průtok se
nastaví, aby odpovídal požadavkům na výkon TČ. Nepříjemností může být, že pro
vybudování studny je třeba stavebního povolení a k zavedení TČ je nutný souhlas
příslušného referátu životního prostředí. Zároveň finanční náklady na vybudování
studen, které bývají hluboké od 10 do 30 metrů, můžou být velmi vysoké a není
zaručeno, že zhotovená studna bude mít potřebné parametry.
240
Obr. 5.65. Stavy hladin podzemní vody ve dvou studních v klidu a při provozu TČ
241
Obr. 5.66. Výkon tepelného čerpadla při teplotě spodní vody 12°C
Výhody TČ voda - voda
Tento systém dosahuje velmi vysokého topného faktoru v porovnání s jinými zdroji
nízkoteplotního tepla. Zároveň se vyznačuje nejnižšími provozními náklady a v
porovnání s vrty také nižšími investičními náklady. Systémy voda - voda je možné
realizovat a využívat jako monovalentní", dnes však řada výrobců osazuje svá TČ
malým elektrokotlem. Použití tohoto systému je vhodné tam, kde je dostatek spodní
vody vhodného chemického složení.
Nevýhody TČ voda - voda
Díky požadavkům, které jsou kladeny na parametry studny a vod, které obsahuje je
relativně málo vhodných lokalit, které obsahují dostatek spodních vod. Dále jsou
kladeny požadavky na chemické složení vod, což dále snižuje počet oblastí, ve
kterých by se dalo tohoto systému využít. Existuje také riziko zanášení studní eších
průměrů a rizika spojená s poškozením čerpací techniky při nasátí pevných částic.
Tento systém vyžaduje pravidelnou údržbu, což způsobuje vyšší náklady na servis.
Při odběru z tekoucích vod je nutné dostat povolení od majitele či správce povodí a
při poklesu teplot může docházet k zamrzání vod na výměníku a tím k odstavení TČ.
Při odebírání tepla ze stojatých vod je nutné vyhovět požadavkům vodohospodářů a
ekologů což dále způsobuje komplikace s vyřizováním povolení.

TČ ZEMĚ – VODA
Zemská kůra je vhodným zdrojem nízkoteplotního tepla pro tepelná čerpadla
především díky malých teplotních výkyvů, dostupnosti a vysoké tepelné kapacity.
Zároveň různé druhy půd se vyznačují odlišnými termofyzikálními parametry jako
jsou tepelná kapacita, koeficient tepelné vodivosti a velmi důležité hustota a obsah
vlhkosti v půdě, které mají velký vliv na koeficient vodivosti. Během zimního období
242
je běžná půda obvykle dostatečně vlhká a vlivem difúze zapříčiněné teplotním
gradientem směrem k výměníku tepla v době provozu TČ se zvyšuje tepelná
vodivost půdy v oblasti kolem výměníku.
Na povrch země dopadá sluneční záření přímé a záření difúzní, které bylo rozptýleno
při průchodu atmosférou. Tato energie ze Slunce se akumuluje do Zemského
povrchu a poskytuje tak zdroj nízkoteplotní energie pro TČ. V současnosti se
využívají dva druhy využívání tepla akumulovaného v povrchu země. Je to odběr
energie slunečního záření z povrchu a z hloubky. Oba druhy využívají uzavřených
výměníků na primární straně TČ, které jsou naplněný nemrznoucí směsí. Tento
způsob poskytuje výhodu v tom, že nevyžaduje vysoký výkon pro potřeby oběhového
čerpadla a také eliminuje problém se zanášením výměníků a filtrů díky stálé čistotě
směsí.
V současné době se nízkopotenciální teplo ze země získává dvěma způsoby. Prvním
způsobem se tepelná energie odebírá z povrchové vrstvy plošnými kolektory, také
bývají nazývány horizontálními, a druhým způsobem je odběr z hloubky svislými
zemními vrty. Oba systémy využívají výměníku z plastových trubek, v němž cirkuluje
nemrznoucí směs, která dosahuje teplot pod 0°C, aby docházelo k přestupu tepla.
Plošné kolektory
Plošné kolektory využívají teplo ve vrchní vrstvě země, která je do hloubky dvou
metrů i v mrazivých dnech postačujícím zdrojem. Do země se v hloubce asi od 1 do
1,5 metrů pokládají PE hadice naplněné solankou. Délka jednotlivých okruhů by
neměla přesahovat 200m a zároveň okruhy by měly být stejně dlouhé. Výkon,
kterého je možno dosáhnout se pohybuje v rozmezí 20 až 25 W/m 2 plochy země.
Plocha, ze které se teplo odebírá, by měla být cca 3 až 4 krát větší než je velikost
vytápěné plochy. Hadice jsou nejčastěji vedeny přímo do objektu v nezamrzající
hloubce, kde se teprve spojují.
Druhy
půdy
Výkon na 1m
potrubí (W)
Délka (m) na
1kW
Výkon (W) na
1m2
Plocha (m2) na
1kW
Suchá
6
160
10
100
Vlhká
12-18
55-85
20-30
33-50
Mokrá
25
40
35
29
Tab. 5.19. Přibližné délky zemního kolektoru ve vztahu k výkonu TČ
Slinky
Svinuté kolo PE hadice je jen roztaženo, přičemž se vznikající smyčky svazují v
místech křížení. Slinky se ukládají na dno výkopu širokého asi 1 metr a výkop je
následně zakopán zeminou. Jednotlivé výkopu jsou od sebe vzdáleny podle způsobu
uložení. U slinek uložených do tvaru "V" je doporučená vzdálenost mezi výkopy 3 až
243
4 metry, u slinek roztažených do tvaru "H" se vzdálenost mezi výkopy pohybuje od 4
do 5 metrů.
Obr. 5.67. Plošný kolektor typu slinka
U vodorovné varianty slinek H je výkon jedné sekce asi 1,5 kW a tento údaj platí pro
plošnou hustotu výkonu ze země přibližně 20W/m2. U slinek typu V je výkon jedné
sekce vyšší, kdy se odebíraný výkon pohybuje v rozmezí 1,8 až 2 kW.
Existují také systémy, kde je primární výměník tvořen přímo měděným výparníkem
tepelného čerpadla, nejčastěji měděná trubka, ve které proudí chladivo. Tyto
systémy, leč mají účinnější odběr tepla ze země, nejsou velmi rozšířeny a používají
se jen pro malé výkony.
Vertikální zemní kolektory
Vertikální zemní kolektory jsou plastové výměníky, které se vkládají do vrtů. Tyto
mívají hloubku v rozmezí 50 až 120 metrů. Výměníky čerpají teplo, které je
akumulováno desítky metrů pod povrchem a zároveň v průběhu roku se teplota půdy
téměř nemění. Tento systém je díky konstantní teplotě schopen pokrýt celou
spotřebu tepla a bývá tak často navrhován jako monovalentní systém.
Parametry vrtů jsou silně ovlivněny geologickou situací v daném místě realizace. Od
ní se pak odvíjí hloubka vrtů, s uvážením očekávané spotřeby pak také jejich počet.
Výměníkem jsou obdobně jako u plošných kolektorů PE hadice, které jsou však
dimenzovány na vyšší tlaky. Statický tlak v případě vody může být až 1,2 MPa, a
volný prostor mezi trubicí a stěnami vrtu je vyplněn plastickou směsí, která
244
kompenzuje vnitřní tlak. Pokud jsou vysoké nároky na výkon, zhotovuje se větší
množství vrtů. Vzdálenost mezi vrty by měla být nejméně 5 metrů.
Obr. 5.68. Dům se zdrojem tepla z vrtu
Teplota v zemi v hloubce pod 10 metrů je během roku téměř stabilní. V podmínkách
na území ČR se pohybuje v rozmezí 10 až 12 °C. S rostoucí hloubkou roste zároveň
teplota s gradientem 1 až 2 °C na 100 metrů hloubky. Teplota solanky, která slouží
jako teplonosné médium, se může v zimních měsících pohybovat pod 0°C, přesto
však TČ s vertikálními kolektory konstantně pracují s průměrným skutečným topným
faktorem přes 3.
Obr. 5.69. Průběh teplot v zemi v závislosti na ročním období
245
Požadovaná hloubka vrtů a délka kolektorů se navrhuje po geologickém průzkumu,
který ukáže složení hornin v dané lokalitě. Jednotlivé typy složek mají různý vliv na
tepelné vlastnosti a jejich znalost je nutná při navrhování vrtů vzhledem k
požadovanému výkonu. Ten není zaručen jen stálou teplotou, ale závisí především
na vodivosti hornin. Informace o hloubce vrtů v závislosti na druhu podloží je
nastíněn v následující tabulce.
Topný výkon (W) na 1m
délky kolektoru
Hloubka (m) na 1kW
topného výkonu
Suché usazeniny
30
33
Jíly a břidlice
60
17
Pevná skála
80
13
Suchá zemina
30
33
Normální pevná hornina
55
18
Hornina s velkou tepelnou
vodivostí, jíly
80
13
Hornina s výskytem spodní
vody
100
10
Druh podloží
Tab. 5.20. Informativní hloubky zemního kolektoru v závislosti na výkonu TČ
Solanka
Solanka je obecné označení média kolujícího v primárním okruhu tepelných
čerpadel.
Tato nemrznoucí směs by měla být netoxická, ekologicky nezávadná, ale zároveň její
cena nesmí být příliš vysoká, neboť její objem v primárním okruhu se pohybuje mezi
250 až 400 litry. Pokud by tedy cena solanky byla vysoká, způsobila by významný
nárůst nákladů na pořízení TČ. Nejčastější druhy solanky:
Polyethylenglykol a voda
Tato směs tvořená ze 7/10 objemu vodou a 3/10 polyethylenglykolem má výhodné
vlastnosti až do teploty -15°C. Nevýhodou je naopak vyšší viskozita a nižší tepelná
kapacita.
Zároveňje
tento
roztok
jedovatý,
proto
bývá
nahrazen
polypropylenglykolem, který má obdobné vlastnosti a není jedovatý.
Alkohol a voda
Nejčastější složení této směsi je z 1/4 tvořen etanolem a ze 3/4 objemu vodou. Tato
směs má také nižší tepelnou kapacitu a viskozita roste s klesající teplotou. Zároveň
246
při smíšení těchto složek dochází ke dvěma jevům. Prvním je zvýšení teploty, které
není tak významné, a druhý je jev nazývající se kontrakce.
Polyethylenglykol ve vodě
(%)
20
34
52
Polypropylenglykol ve vodě
25
38
47
Ethanol ve vodě
10
20
30
40
50
Bod tuhnutí
(°C)
-10
-20
-30
Měrné teplo c
(kJ/kg°C)
3,85
3,51
3,04
-10
-20
-30
3,93
3,68
3,45
-6
-11,5
-17,5
-25,5
-33,5
4,39
4,37
4,18
3,99
3,64
Tab. 5.21. Vlastnosti roztoků
Výhody TČ země - voda
Velkou výhodou tohoto typu tepelných čerpadel oproti jiným je především prostředí,
ze kterého nízkopotenciální energii získává. Teplota půdy se v průběhu roku
pohybuje ve velmi úzkém rozsahu, především zemní vrty jsou ročním obdobím
prakticky neovlivněné. To umožňuje tyto TČ navrhovat jako monovalentní zdroje.
Tyto tepelná čerpadla také dosahují, v porovnání s ostatními, vyšších topných faktorů
a doba životnosti je z nich nejdelší. Uzavřené systémy země - voda se také vyznačují
stálou čistotou teplonosné kapaliny a velmi nízkým příkonem oběhových čerpadel.
Při správném návrhu je také eliminováno riziko zamrznutí a systém je nezávislý na
stavu hladiny spodních vod. V porovnání s TČ vzduch - voda se tento systém
zároveň vyznačuje naprosto tichým chodem.
Nevýhody TČ země - voda
U Tč země - voda využívajících plošné kolektory, jsou náklady na pořízení relativně
nízké, ale pro jejich realizaci je potřeba velké plochy a venkovní jímací část vyžaduje
rozsáhlé stavební práce. Zároveň dochází k ochlazování svrchní vrstvy půdy, což má
negativní důsledky na vegetaci na této ploše.
Největší nevýhodou TČ země - voda využívajícího vertikální zemní kolektory jsou
vysoké pořizovací náklady, které se zároveň mění podle druhu podloží. Při provádění
vrtů může také dojít k neúmyslné kontaminaci spodních vod nebo ztráta pramenů ve
studnách vyskytujících se v blízkosti vrtu. Tento systém klade významný požadavek
na správnost návrhu, neboť poddimenzované mohou zamrzat a pak z nich není
247
možno po dlouhou dobu odebírat teplo. Toto je významným problémem, neboť bývají
navrhována jako monovalentní zdroj.
V obou typech jsou sondy prakticky neopravitelné a je nutná důkladná kontrola vrtu
včetně jeho propustnosti. Plošné kolektory i spojovací potrubí od vrtů musí procházet
v dostatečné vzdálenosti od objektů a jejich základů z důvodu rizika namrzání půdy a
posunů staveb.
5.4. Kogenerační jednotky
Kogenerací rozumíme kombinovanou výrobu elektrické a tepelné energie (KVET).
Jedná se o co nejefektivnější využití tepelné energie uvolněné spalováním paliva v
jednom technologickém řetězci. Principem kogenerace je využít teplo, které by jinak
při výrobě elektrické energie odešlo bez užitku. Kogenerační technologie toto teplo
dokáže využít pro vytápění objektů, či ohřev teplé vody nebo obojí. Touto úsporou
šetříme palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup
Kombinovaná výroba elektrické energie a tepelné energie (KVET)
Princip, který představuje velmi zajímavou aplikaci moderních technologií na dlouho
známé principy. Název se u nás začal používat v počátku devadesátých let jako
počeštění mezinárodně srozumitelného anglického termínu „co-generation“ což
znamená v překladu kogenerace neboli kombinovaná výroba elektrické energie a
tepla.
Výroba elektřiny v podnikových nebo městských elektrárnách v parních turbínách a
postupné vyvedení tepelného výkonu předznamenaly vznik velkých soustav
dálkového zásobování teplem CZT. Rozšíření malých jednotek na bázi spalovacích
motorů začalo na našem území po roce 1990.
Vývoj kogeneračních jednotek
MINULOST
oběhy s parní turbínou
SOUČASTNOST
BUDOUCNOST
ORC cyklus
mikroturbíny
oběhy s plynovou turbínou
na bázi pístových spalovacích motorů stirlingův motor
paroplynový cyklus
parní motor
palivové články
Tab. 5.22. Přehled o vývoji kogeneračních jednotek
Výhody kogeneračních jednotek

při vlastní spotřebě tepla a el. energie se vyhneme přenosovým ztrátám

využíváním odpadního tepla při výrobě el. energie dochází až ke 40 úspoře
paliva se srovnáním s tradičními technologiemi

palivo je v KJ využíváno s vysokou účinností a to 80 až 85. Z toho připadá 30
až 35 na el. energii a 65 až 70 na teplo.
248

Přebytky vyrobené el. energie může výrobce prodávat do veřejné rozvodné
sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností a tím může výrazně
ovlivnit návratnost vložených finančních prostředků.

Kogenerační jednotky produkují nízké emise škodlivin ve srovnání s uhlím
Nevýhody využití kogeneračních jednotek:


poměrně vysoké investiční náklady

návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobeného
tepla a el. energie

zajistit ochranu proti hluku (např. protihlukové kryty, zvuková izolace strojovny,
pružné uložení jednotek na základ apod.)
Porovnání účinnosti výroby energie
Obr. 5.70. Porovnání účinnosti výroby energie

Výkonové rozdělení energetických zdrojů a spotřebičů
Rozdělení výkonových požadavků energetické spotřeby a možnosti pokrytí
jednotlivými druhy zdrojů je pro elektrickou energii vyobrazeno na obrázku níže
uvedeném.
249
Jednotky od vyšších výkonů (nad 1 MWe) slouží především pro centrální dodávku
elektrické a tepelné energie.
Jednotky nižších výkonů (mikrokogenerace) se umisťuje blíže ke spotřebitelům z
důvodu, že vyrábějí energii jen pro omezený počet spotřebitelů nebo někdy jen i pro
jednoho spotřebitele
Obr. 5.71. Výkonové rozdělení energetických zdrojů a spotřebičů
Možné kogenerační jednotky pro domácí využití
Stirlingův motor: je pístový motor s vnějším spalováním, ve kterém se uvolněná
tepelná energie předává látce tepelného oběhu. Motor pracuje mezi dvěma
zásobníky tepelné energie s přívodem a odvodem tepla v pracovní látce (nejčastěji je
to helium, vzduch, dusík nebo CO2), v systému při konstantní teplotě. Látka je
střídavě stlačována ve studeném válci (kompresní prostor) a expanduje v horkém
válci (expanzní prostor). Teplo je přiváděno do okruhu z vnějšího zdroje přes tepelný
výměník (ohřívák). Pracovní médium zůstává trvale ve válci stirlingova motoru. Mezi
písty je regenerátor, což je bud' keramická mřížka nebo libovolný druh pórovité zátky,
která má vysokou tepelnou kapacitu a malou tepelnou vodivost (slouží k
přechodnému uložení tepelné energie). Dnešní důmyslné motory používají jako
pracovní médium zpravidla vodík, protože s vodíkem se dosahuje až 80 teoretické
účinnosti ideálního Stirlingova cyklu.
250
Obr. 5.72. Stirlingův motor
Stirlingův motor může být také použit v opačném módu - jako tepelné čerpadlo, kdy
je energie (mechanická nebo elektrická) využívána k ohřevu.
Jako perspektivní palivo pro kogeneraci s využitím Stirlingova motoru se jeví
biomasa (zplyněná nebo zkapalněná), která se pro výrobu elektřiny pomocí
klasických motorů nehodí (znečištění, velká odlišnost od ušlechtilý paliv. Při použití
jedné jednotky se předpokládá snížení produkce CO2 o 15 - 20 oproti produkci z
klasických zdrojů.
Teplo, které není přeměno na technickou práci hřídele, je odváděno chladící vodou
ve studeném tepelném výměníku (chladiči). Plyn se přenáší z horké zóny do chladiče
a zpět pomocí regenerátoru
Podstatné je, že mezi oběma prostory je umístěn regenerátor (nádoba vyplněná
porézní náplní), v němž se při přechodu z horkého do studeného prostoru teplo
odevzdává a je opět přiváděno při příští změně 2-3. Regenerátor tedy zvyšuje
termickou účinnost stroje a při 100 účinnosti regenerace bude mít Stirlingův oběh při
daných teplotách stejnou termickou účinnost jako Carnotův oběh, jehož účinnost je
dána vztahem
Pro co možná nejlepší účinnost motoru by tedy měla být (stejně jako u všech
tepelných strojů) teplota T min CO nejnižší (omezení teplotou chladicího média) a T
max co nejvyšší (omezení materiálovými vlastnostmi ohříváku). Reálná účinnost
Stirlingova motoru je snížena díky nemožnosti dosáhnout teoretické kinematiky,
škodným objemům ohříváku, chladiče a regenerátoru, jejich tlakovým ztrátám při
průtoku pracovního plynu (hlavně regenerátor)
251
Stirlingův motor nemá explozivní spalování jako mají spalovací motory, a proto
nemusí mít zapalovací zařízení, ventilový rozvod atd. Z hlediska konstrukčního
provedení (upořádání pístů) se vyrábějí následující typy:



alfa - dva válce osově souměrné
beta - dva písty v jednom válci
gama - dva válce osově nesouměrné
Obr. 5.73. Konstrukční provedení Stirlingova motoru
Obr. 5.74. Schéma zapojení KJ se Strilingovým motorem
Pracovní fáze stirlingova motoru
Funkce stirlingova motoru je vysvětlena na obrázku 6 a pro lepší pochopení a
jednoduchost budeme uvažovat ideální oběh, který je tvořen dvěma ději
izochorickými a dvěma izotermickými.
252
Obr. 5.75. Pracovní fáze stirlingova motoru
HK – horká komora (expanzní prostor)
CHK – chladná komora (kompresní prostor)
R – regenerátor (keramická mřížka)
Obr. 5.76. T - s diagram ideálního děje stirlingova motoru
V bodě 1 začíná oběh a teoreticky veškeré plynné médium je při maximálním objemu
přemístěno v chlazené části motoru.
1 - 2 (komprese): jen pohyb kompresního pístu (v chladném válci) a pomocí chladiče
je v tomto prostoru udržována stále konstantní teplota T min. (práce se přitom
spotřebovává a teplo se odvádí).
253
V bodě 2: je dosaženo minimálního objemu. Dochází k přemístění tohoto objemu bez
jeho změny do ohřívané části, což je změna 2-3.
Mezi body 2 - 3: dojde k ohřevu na maximální teplotu Tmax. Pak objem plynu v
horkém válci expanduje opět za konstantní teploty (teplo je v průběhu expanze stále
dodáváno) a koná se práce.
Na konci pracovního zdvihu je tedy ve válci stále stejná teplota a pro uzavření oběhu
je třeba teplo z plynu odvést, což reprezentuje změna 4 - 1. Plyn je za konstantního
objemu přemístěn zpět do chladného válce.
Výhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům

díky vnějšímu přívodu tepla lze přímo využít prakticky jakéhokoli paliva
(plynná, kapalná a pevná paliva)

tichý chod

použití i ve výbušném prostředí, neboť je jednotka zapouzdřená a utěsněna

lze využít i odpadního tepla z technologických procesů, geotermální energie,
solární energie a s rozumnou účinností toto teplo převést přímo v elektřinu

vyšší vnitřní tepelná účinnost

výrazně nižší servisní náklady, dané dlouhými servisními intervaly, který činí
běžně 5000 až 10000 hodin

velmi nízká hlučnost vlivem pozvolné změny tlaku během cyklu a absence
cyklických zážehů či vznícení

při správné konstrukci spalovacího systému má motor díky vnějšímu
spalování nižší emise škodlivin

výroba elektrické energie není závislá na výrobě tepla
Nevýhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům

vyšší cena z důvodu malé sériovosti

pomalejší regulace výkonu - pro výrobu elektřiny a tepla to nepředstavuje
žádný problém

většinou mírně nižší účinnost, která je však u malých výkonů bohatě
kompenzována podstatně nižšími servisními náklady
Výkon Stirlingova motoru se reguluje změnou tlaku (množství pracovní látky) v
pracovním prostoru motoru podle vztahu:
( )
Přičemž průtočné množství pracovní látky je na základě stavové rovnice plynů
254
(
)
kde
aT - zisk technické práce [J/kg] pp - plnící tlak [Pa]
n - otáčky motoru [lis]
r - plynová konstanta [J/kgK] Tp - pracovní teplota [K]
Vl - objem pracovního prostoru [m3]
Regulace Stirlingova motoru: ventilem se mění plnící tlak, přičemž otáčky se drží na
konstantní hodnotě. Charakteristika změny účinnosti při zatížení je podobná jako pro
pístové spalovací motory.
Vliv změny provozních parametrů: technická práce rychle klesá s nárůstem chladící
teploty. Protože tepelný vstup neklesá, při narůstání chladící teploty klesá účinnost.
Při zvýšení chladící teploty, např. z 60 na 70°C, je pokles účinnosti 20. Zvyšování
tepelného výkonu odběru zvyšováním teploty není tedy výhodné.
Vliv změny okolních podmínek: vliv venkovních podmínek na účinnost stirlingova
motoru je stejně jako u všech jako u všech pracovních jednotek pracujících s vnějším
spalováním zanedbatelný.
Loganova kogenerační jednotka
Použití:
k výrobě elektrického proudu a tepla
určené k instalaci pro kryté bazény, sportovní střediska, domovy pro seniory, školy,
obytné objekty, nákupní centra apod.
Technika:
·kompaktní rámová konstrukce s motorem, vč. všech vestavěných dílů, generátoru a
výměníků tepla, rovněž i chladicích okruhů
·rozvaděč je integrovaný do opláštění rámu s přehledným ovládacím panelem
·plynový motor má tichý chod, se čtyřmi až dvanácti válci a s regulovaným
katalyzátorem výfukových plynů
255
Obr. 5.77. Loganova KJ
Výhody:





jednotka je ovládána na řídícím panelu snadným stiskem tlačítek
dálkové monitorování důležitých funkcí
až o 40 menší spotřeba energie proti konvenční výrobě energie
nízké emise výfukových plynů
možnost rozšíření o absorpční systém Loganova Trigen k výrobě chladu pro
klimatizaci
Plynová kogenerace
Je označení pro společnou výrobu elektrické energie a tepla přímým spalováním
plynu ve spalovacím motoru (otevřený Ottův cyklus) nebo spalovací turbíně
(otevřený Braytonův cyklus) pohánějící alternátor se současným využitím odpadního
tepla z motoru nebo z turbíny.

Zážehový (Ottův) motor
Obr. 5.78. Pracovní cyklus zážehového motoru
l. zdvih – sání
-
do válce se nasává směs vzduchu a paliva - sací ventil je otevřen
výfukový ventil je uzavřen
píst jde směrem dolů
256
2. zdvih - stlačení (komprese)
-
směs se stlačuje - roste tlak a teplota
krátce před horní úvratí dojde k zažehnutí elektrickou jiskrou
oba ventily jsou uzavřeny
píst jde směrem vzhůru
3. zdvih - expanze
-
směs hoří a rozpínající se zplodiny tlačí píst dolů - jediná fáze, kdy píst koná
práci
oba ventily jsou uzavřeny
píst jde směrem dolů
4. fáze - výfuk
-
z válce jsou vyfouknuty spaliny
pracovní prostor se vyprázdní, aby se oběh mohl opakovat
výfukový ventil otevřen
sací ventil uzavřen
píst jde směrem vzhůru
Obr. 5.79. p - V diagram
1-2 sání: do válce se nasává směs benzínových par (nebo plynu) se vzduchem.
2-3 adiabatická komprese: směs je stlačována, aby konečná kompresní teplota byla
nižší než teplota vznícení směsi
3-4 izochorické zvýšení tlaku: před koncem komprese je směs zažehnuta elektrickou
jiskrou, čímž dojde k rychlému zvýšení tlaku
257
4-5 adiabatická expanze: plyn koná práci na úkor své vnitřní energie
5-2 izochorický odvod tepla
2-1 výfuk: splodiny jsou z válce vyfouknuty ven
Braytonůvoběh
Kompresor nasává vzduch o stavu 1 a stlačuje ho na výtlačný stav 2. Stlačený a
ohřátý vzduch proudí do spalovací komory, kde se mísí se vstřiknutým palivem. Tato
směs se zapálí a hoří téměř při konstantním tlaku. Horké zplodiny o vysokém tlaku a
parametrech daných bodem 3 expandují adiabaticky ve spalovací turbíně do stavu 4
a dále jsou vyfukovány do okolní atmosféry.
Termická účinnost oběhu je dána velikostí přivedeného a odvedeného tepla:
| |
kde:
|
|
(
)
|
|
(
)
Obr. 5.80. Braytonův oběh
258
Obr. 5.81. p-V diagram Braytonova cyklu
Obr. 5.82. T-s diagram Braytonova cyklu
Kogenerační jednotka se spalovacím motorem
Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího
motoru pohánějící alternátor vyrábějící el. energii a výměníků pro využití odpadního
tepla z motoru. Otáčky motoru jsou voleny tak, aby nebylo nutno mezi motor a
alternátor instalovat převodovku.
259
Směs zemního plynu se spalovacím vzduchem je do válců dodávána pod tlakem
turbokompresorem poháněným spalinami, kogenerační jednotka tedy nevyžaduje
přívod tlakového zemního plynu, plyn může být dodáván z běžného potrubí s
redukovaným tlakem (jednotky až desítky kPa).
Odpadní teplo z motoru je pro využití odváděno pomocí dvou výměníků na dvou
teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni
cca
80 - 90 °C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících výfukových spalin o teplotě
400 - 500 °C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do
série. Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do
teplovodního systému 90/70 °C, méně 110/85 °C. Ohřívaná voda ze zpátečky
teplovodního systému (70 °C) Prochází nejprve prvním výměníkem, kde se
předehřeje a je vedena do výměníku druhého, kde se dohřeje na požadovanou
teplotu (90 °C). Pro možnost přechodného provozu kogenerační jednotky bez využití
nebo jen s částečným využitím vyrobeného tepla jsou jednotky obvykle vybavovány
chladičem, který teplo z jednotky odvádí do atmosféry.
Kogenerační jednotku se spalovacím motorem lze instalovat prakticky do jakéhokoliv
stávajícího nebo rekonstruovaného průmyslového nebo komunálního zdroje tepla
pokud je v dané lokalitě dostupný hořlavý plyn.
Obr. 5.83. Kogenerační jednotka se spalovacím motorem
260
Tepelná bilance KJ jednotky se spalovacím motorem
Pro sestavení bilance je třeba zjistit všechny energetické ztráty a zisky, respektive
potřeby a zdroje. U starších domů byla největší ztrátou potřeba tepla na vytápění a
větrání, potřeba teplé vody byla menší.
Kogenerační jednotky s (automobilovými) zážehovými nebo vznětovými motory
upravené pro spalování plynu využívají palivo asi z 80% až 85%. Z toho připadá 33%
až 40% na elektrickou energii a zbytek na teplo tj. 40% až 52%. Ztráty jsou mezi 8%
až 22%.
Obr. 5.84. Tepelná bilance KJ se spalovacím motorem
Palivo zemní plyn = 100%
Q - účinnost výroby tepla (poměr tepla využitelného k teplu přiváděném v palivu) = 45
- 52 %
P - účinnost výroby el.energie (poměr el.výkonu ku příkonu v přiváděném plynu) = 33
- 40 %
Z - tepelné ztráty = 8 - 22 %
Kogenerační jednotky se spalovacími turbínami
Sestávají ze soustrojí spalovací turbína - alternátor vyrábějícího el. energii a
spalinového kotle, z kterého je dodáváno využitelné teplo ve formě teplé či horké
vody nebo páry.
Spalovací vzduch je komprimován kompresorem (na stejné hřídeli s turbínou) a
veden do spalovací komory kam je též přiváděn zemní plyn (Braytonův cyklus),
spaliny ze spalovací komory jsou přiváděny na lopatky spalovací turbíny pohánějící
obvykle přes převodovku alternátor. Zemní plyn pro pohon turbíny je na rozdíl od
motoru přivádět pod tlakem cca 1,5 - 2,5 MPa dle kompresního poměru turbíny.
261
Z turbíny jsou spaliny přiváděny do spalinového kotle pro výrobu tepla ve formě páry
nebo horké resp. teplé vody. Při požadavku na zvýšení tepelného výkonu
spalinového kotle je instalován přihřívací hořák spalující zemní plyn, který je vřazen
do spalin proudících z turbíny do kotle a zvyšuje teplotu spalin přicházejících z
turbíny (cca 450 - 600 °C) na max. cca 900 °C. Na spalinové potrubí mezi turbínou a
kotlem se obvykle instaluje uzavíratelný výfuk, kterým lze spaliny z turbíny vypouštět
do ovzduší bez využití jejich tepla. Tohoto výfuku se obvykle užívá při najíždění
turbíny nebo při přechodném nižším odběru tepla
Spalovací turbíny však na rozdíl do spalovacích motorů vyžadují dodávku tlakového
plynu, v případech, že v místě instalace není k dispozici patřičný tlak je nutno
instalovat posilovací kompresor, který celou instalaci zdražuje a svým el. příkonem
snižuje efekt kogenerační jednotky.
Obr. 5.85. Plynová kogenerace se spalovací turbínou
Kogenerace s parní turbínou
Jednotky se spalovacím motorem jsou náročné na kvalitu paliva. To je dáno tím, že
palivo se spaluje přímo v motoru. Motory o malém výkonu jsou také relativně drahé
(náklady na instalovaný výkon je vyšší než u velkých zařízení). Díky tomu se opět
vrací parní stroje, kde lze páru připravit v kotli nenáročném na kvalitu paliva (lze
použít i několik druhů paliv). Nevýhodou parního motoru je nízká účinnost v praxi
nepřekračuje 6%. Celková účinnost s využitím kondenzačního tepla se pak pohybuje
mezi 80% - 85% . Parní stroj se tedy hodí tam, kde je velký odběr tepla a malá
potřeba elektřiny.
V současnosti se vyvíjejí kogenerační jednotky s rotačním pístem SteamCell s
elektrickým výkonem 4,6 kW a tepelným výkonem do 25 kW. Využívá se v
262
systémech ústředního topení rodinných domků, jednotka by měla být schopna
dodávat i pouze teplo bez produkce elektřiny. Prototypy jsou poháněny zemním
plynem, dřevem a biopaliva
V kotli se vyrábí vysokotlaká pára, která se vede do parní turbíny (kondenzační nebo
protitlaké), která pohání generátor vy výrobu elektrického proudu. Pára se
průchodem mění na nízkotlakou, která se využívá jako zdroj tepla.
Obr. 5.86. Schéma zapojení s parní turbínou
Celková účinnost využití energie obsažené v primárním palivu je cca 77% - 87% , při
čemž dominantní je účinnost výroby tepla (v závislosti na tlaku před a za turbínou
cca 62% - 76% ) Účinnost výroby elektrické energie se pohybuje mezi 8% - 15%.
Stupeň zhodnocení primárního paliva na elektrickou energii je tedy nízký, výhodou je
však oproti plynové kogeneraci možnost spalování levného paliva (uhlí) nebo
obnovitelného paliva - biomasy.
Protitlaké turbíny: využívají pro dodávku tepla veškeré množství páry použité pro
zisk technické práce. Teplo je odebíráno na výstupu z turbíny. Dodávaná tepelná
energie má nízké parametry. Čím vyšší jsou požadavky na teplotu tepelného odběru,
tím vyšší musí být vstupní teplota a tím se snižuje účinnost přeměny na elektrickou
energii.
Celkové využití paliva je vysoké, ale zisk tepelné energie je nízký.
Kondenzační turbíny: pracují hlavně jako zdroje elektrické energie. Kondenzační
teplo je z oběhu odváděno při teplotě okolí a tím je dosažena velmi nízká hodnota
výstupního tlaku z turbíny. Dosahuje se tak maximalizace zisku elektrické energie.
Odváděné teplo se však v důsledku nízké teploty nedá užitečně využít.
Mikroturbíny
Jsou plynové turbíny malého výkonu, které pracují při vysokých otáčkách (cca
100.000 min-1). Pracují s braytonovým oběhem stejně jako velké plynové turbíny.
Tlakový poměr je větší, vstupní teploty vyšší a teplota vzduchu do kompresoru je co
nejnižší. Na hřídeli mohou být olejová nebo vzduchová ložiska, čímž odpadá olejové
hospodářství turbíny. Protože se mikroturbíny pohybují rychlostí 100 000 ot/min musí
263
být použit vysokofrekvenční generátor. Životnost se odhaduje na 40 000 až 80 000
provozních hodin.
1 - tepelný výměník,
2 - rekuperátor,
3 - mikroturbína,
4 - turboalternátor s
permanentnímy magnety,
5 - elektrický kondicionér,
6 - odvod spalin,
7 - tlumič,
8 - přívod vzduchu,
9 - řídící panel
Obr. 5.87. Mikroturbína
Protože komerční využití mikroturbín probíhá poměrně krátkou dobu, nelze zatím
stanovit přesnější údaje o poruchovosti a spolehlivosti. Lze však předpokládat, že
vzhledem k malému počtu rotujících částí turbíny bude pohotovost 98% - 99%.
Na rozdíl od velkých plynových turbín, které používají axiální kompresory a axiální
proudění látky, pracují mikroturbíny s radiálním prouděním pracovního média. Při
malých výkonech se tím dosáhne úspory místa, menších ztrát sáláním a větší
účinnosti. Při použití spalinového výměníku pro předehřev spalovacího vzduchu
(rekuperátor) se výrazně zvýší účinnost, ale sníží se teplota využitelná při dodávce
tepla.
Mikroturbíny jsou koncentrovány do poměrně malého prostoru, čímž se zabraňuje
vzniku velkých tlakových ztrát v přívodech kompresoru, které mohou způsobit pokles
účinnosti. Hlavními emisnímu produkty jsou oxidy NO x, CO, CO2 a nespálené
uhlovodíky.
Změna výkonu turbíny se provádí kombinací průtočného množství pracovní látky
tepelného oběhu (změna otáček kompresoru) a změnou teploty spalin na vstupu do
mikroturbíny. Turbíny jsou schopny najet z nulového výkonu na plný výkon za zhruba
15 sekund.
Jako palivo je zde možné použít zemní plyn, odpadní plyny (i méně kvalitní)
Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky na údržbu, veliká dynamika
změny zátěže Nevýhody: závislost na vnějších parametrech (teplota, tlak)
264
Obr. 5.88. Schéma zapojení mikroturbíny
Palivový článek
Je elektrochemické zařízení, uskutečňující přímou přeměnu chemické energie vodíku
a kyslíku na energii elektrickou, vodu a teplo. Tato přeměna se děje katalytickými
reakcemi na elektrodách a je v podstatě založena na obráceném principu elektrolýzy
vody.
Palivový článek se skládá z elektrolytu (žlutá barva), elektrod (modrá barva) a
elektrického okruhu. Elektrolyt musí být iontově vodivý. Pro elektrický proud musí být
dielektrikem, elektrony tedy propouštět nesmí. Vodík je přiváděn k anodě, na které se
katalyticky štěpí na pro tony a elektrony. Protony přechází elektrolytem ke katodě,
zatímco uvolněné elektrony přechází vnějším vedením
a produkují elektrický proud. Ke katodě je přiváděn kyslík, který zde katalyticky
reaguje s prostoupenými protony a elektrony za vzniku vody.
265
Obr. 5.89. Palivový článek
Na obou elektrodách vzniká potenciální rozdíl kolem jednoho voltu, který při zatížení
článku poklesne obyčejně na hodnoty 0,5 - 0,8 V. Aby bylo dosaženo potřebného
vyššího napětí, jsou desítky cel sériově uspořádány do jednotlivých svazků
stavebnicovým způsobem. Jednotlivé svazky mohou být opět libovolně propojovány
sériově nebo paralelně podle požadavků na výstupní napětí a proud.
Palivem do palivových článků může být vodík v plynném nebo kapalném stavu, dále
nepřímá, vodík obsahující paliva. Z nich je vodík uvolňován tzv. reformovacím
procesem. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan,
propan a metanol, případně etanol.
Palivové články se mohou uplatnit ve všech oblastech lidské činnosti. Nejvýhodnější
použití palivových článků je při přímé výrobě elektrické a tepelné energie, tedy
namísto současných elektráren a tepláren. Jsou šetrné k životnímu prostředí díky
snadnému využívání odpadního tepla při výrobě elektrického proudu, využitelného
pro ohřev budov a výrobu horké vody. Jejich tepelný výkon, je přibližně stejný nebo o
něco vyšší než výkon elektrický, takže celková účinnost využití paliva při výrobě
energií dosahuje až 80%
266
Obr. 5.90. Schéma zapojení palivového článku
Obr. 5.91. Porovnání výroby el. a tep. energie u používaných KJ
Porovnání hlavních parametrů kogeneračních jednotek

Palivové články:
Výhody:
-
nízké emise a nízký hluk
267
-
vysoká účinnost v celém pásmu zatížení jednotky, flexibilita
možnost využití velkého množství paliv, ale vyžadují úpravu na čistý vodík
výroba nízkopotenciálního a vysokopotenciálního tepla v závislosti na typu
palivového článku.
Nevýhody:

náklady
doba životnosti
dlouhá startovací doba
Parní turbíny:
Výhody:
-
vysoká celková účinnost
možnost použití všech druhů paliv
změna modulu teplárenské výroby během provozu
schopnost pokrýt požadavky tepelné spotřeby při různých teplotách
dlouhá doba životnosti
Nevýhody:

vysoké náklady
pomalý start
ORC
Výhody:
-
dlouhá doba životnosti
využití biomasy a obnovitelných zdrojů
malá citlivost na změnu zatížení
Nevýhody:

velké investiční náklady
pomalý start
Plynové turbíny
Výhody:
-
vysoká spolehlivost umožňující dlouhodobý nepřerušovaný provoz
není nutná chladící voda
relativně nízké investiční náklady
velký rozsah využití paliv (nafta, zemní plyn, odpadový plyn)
schopnost kombinování paliv
nízké emise
Nevýhody:
-
nižší mechanická účinnost oproti spalovacím motorům
268

spalovaní plynu je prováděno při vysokém tlaku
vysoká hlučnost
malá účinnost při nízkém zatížení
palivo musí být čisté
výkon klesá s nárůstem teploty
delší doba nájezdu (0,5 - 2 hod.)
Mikroturbíny
Výhody:
-
vysoká spolehlivost v důsledku malého počtu pohybujících se částí
jednoduchá instalace
nízké náklady na údržbu
malé rozměry
malá hmotnost
Nevýhody:

náklady
Stirlingův motor
Technické výhody:
-
velké zkušenosti s provozem v oblasti vysokých výkonů
menší počet třecích pohyblivých částí
nemá vnitřní spalovací komoru
vysoká teoretická účinnost
vhodný pro masové využití
Výhody využití pro mikrokogeneraci
-
není potřebný dodatečný zdroj tepla
výroba elektrické energie není závislá na výrobě tepla
nízké emise
jednoduché zařízení
Nevýhody:

menší zkušenosti s provozem v oblasti nízkých výkonů
nízká mechanická účinnost motorů ve výkonovém rozmezí 350-800 W
lepší účinnost pro výkony nad 3 kWe
zatím vysoké investiční náklady
Spalovací motory
Výhody:
-
vysoká účinnost v širokém výkonovém rozmezí jednotek
relativně nízké investiční náklady na instalovaný elektrický výkon
široký rozsah výkonů od 3 kWe
269
-
možnost použití v ostrovním provozu
rychlý startovací čas na plný výkon (15s)
použití více paliv v provozu (lze spalovat TTO)
opravy lze provádět na místě
nízké investiční náklady pro malé jednotky
mohou pracovat s nízkým tlakem plynu (menší než 0,1 MPa)
Nevýhody:
-
musí být chlazeny i když se nevyužívá teplo
velké hodnoty nízkofrekvenčního hluku
vysoké náklady na údržbu
Obr. 5.92. Parametry kogeneračních jednotek
Výpočet doby pohotovosti a doby spolehlivosti kogenerační
jednotky
Typická KJ pracující se spalovacím motorem má plánovaný čas pro odstávku
v důsledku údržby 438 hod/rok. Maximální udávána hodnota pro neplánované
odstávky v důsledku poruch je 420 hod/rok.
Pohotovost - ph - určuje provozuschopnost KJ během doby T, která odpovídá
1roku.
Doba pohotovosti - TPH - je menší než T o čas odpovídající době odstávek pro
vykonání pravidelné údržby a oprav a o čas odpovídající době trvání poruch.
270
(
)
[ ]
Spolehlivost - sp - náchylnost zařízení k poruchám, je definována jako
pravděpodobnost bezporuchového provozu za uvažované období T
(
)
[ ]
kde
TOD,pln - doba pro nutné plánované odstávky KJ pro servisní účely [hod]
TOD,npl - doba neplánované odstávky KJ v důsledku poruchy [hod]
Výrobce udává spolehlivost podle vzorce
Kde doba pohotovosti je:
]
(
)[
Výpočet ekonomického provozu kogenerační jednotky
KJ může pracovat ve 3 stavech zatížení výkonu (100%, 75% a 50%). V následujícím
výpočtu je stanoveno kolik KJ vyrobí za rok elektrické a tepelné energie při různých
zatíženích.

při 100% zatížení KJ
tepelná energie
Výroba tepla z KJ (GJ/rok) = max. tepelný výkon · počet provozních hodin za rok ·
0,0036
Počet provozních hodin = počet provozních hodin za den · počet provozních dní v roce
Elektrická energie
Max. el. výkon 8,0 kW
Výroba el. energie na KJ = max. el. výkon · počet provozních hodin za rok
Výpočet návratnosti kogenerační jednotky
V mém případě bude KJ sloužit výhradně pro potřeby tepla, tudíž jen nahradí plynový
kotel.
Zároveň bude sloužit pro krytí vlastní spotřeby elektrické energie a přebytečná
energie bude prodávána do elektrické sítě.
271
Obr. 5.93. Roční průběh potřeby tepla
Návrh elektroinstalace rodinného domu s FV systémem.
Při návrhu a realizaci fotovoltaické elektrárny ať již na prostranstvích či střechách je
vždy nutné se řídit platnými normami ČSN v České Republice.

Návrh hromosvodu
Z hlediska výskytu bouřek se ČR nachází na území se zvýšenou bouřkovou činností.
Tudíž je třeba chránit svůj život a majetek pomocí zařízení k tomu určených. Pro
ochranu před úderem blesku do budovy jsou používány hromosvody (bleskosvody).
Dále je vhodné chránit objekt před účinky přepětí při úderu blesku v blízkosti budovy
nebo do inženýrských sítí připojených k rodinnému domu. Rodinný dům spadá do
třídy ochrany LPS III. Jako jímací zařízení se používá tyčový oddálený hromosvod,
přičemž do ochranného úhlu musí spadat komín a FV panely na střeše rodinného
domu. Podle třídy LPS se navrhují na střechu 4 svody. Jímací tyč i svody bývají
vyrobeny z materiálu pozinkovaná ocel o průřezu 8 mm 2. Uzemňovací soustava je
provedena, jako typ B – základový zemnič, což je mříž zalitá v betonových základech
stavby.
Pro výpočet délky jímací tyče a vzdálenosti FV panelů od svodů můžeme použít
program Hromosvody PLUS. Program slouží k návrhu provedení hromosvodu, které
bude funkční a v souladu s normami ČSN EN 62305.
272
Obr. 5.94. Výpočet dostatečné vzdálenosti
Obr. 5.95. Výpočet délky jímače
Obr.63.
Z obr. 5.94 je patrné, že minimální vzdálenost FV modulů od svodu je 10 cm. Do
druhého výpočtu obr. 5.95 jsou dosazeny jednotlivé vzdálenosti. Z výpočtu je zřejmé,
273
že minimální výška jímací tyče by měla být 1,09 m a velikost ochranného úhlu α je
76°.

Návrh fotovoltaického systému na střechu rodinného domu
Výpočet velikosti fotovoltaické solární elektrárny
K návrhu fotovoltaické solární elektrárny slouží několik přístupů. Jeden z nich je
minimalizovat celkové náklady na elektrickou energii. Návrh velikosti fotovoltaické
solární elektrárny se odvíjí od způsobu dotování fotovoltaické solární elektrárny.
Při úvaze dotací pomocí zelených bonusů se návrh fotovoltaické solární elektrárny
odvíjí od denní respektive měsíční spotřeby.
Budeme-li uvažovat o průměrné měsíční spotřebě elektrické energie bez elektrického
kotle na 450 kWh. Z čehož vychází roční spotřeba elektrické energie 5400 kWh + 22
MWh na topení elektrokotlem. Pakliže budeme chtít minimalizovat náklady na
elektrickou energii, budeme navrhovat fotovoltaickou solární elektrárnu o takovém
špičkovém výkonu, aby ročně fotovoltaická solární elektrárna vyrobila 5400 kWh.

Základní údaje
Rodinný dům se nachází v Olomouckém kraji ve městě Troubelice. Na pozemku p. č.
1249/97 bude stát rodinný dům p. č. 1249/115 v nadmořské výšce 246 m. GPS
souřadnice rodinného domu jsou 49°48‘38‘‘ N a 17°5‘52‘‘ E. Střecha rodinného domu
má sklon 25° a je odkloněna 30° jihozápadně od ideálního jižního směru. Na střechu
dopadne ročně kolem 1200 kWh/m2. Což odpovídá 900 kWh/kWp (pokud počítáme s
výkonovým poměrem 0,75).
274
Obr. 5.96. Okno webové stránky PVGIS
Předpokládanou výrobu elektrické energie zjistíme pomocí webové stránky PVGIS.
Nejdříve zadáme pozici polohy rodinného domu 49.811N a 17.098E. Dále nastavíme
příslušné parametry fotovoltaické solární elektrárny, přičemž předpokládané ztráty
systému jsou 12%. Jak je patrné z tab. 7, aby nám fotovoltaická solární elektrárna
vyrobila ročně cca 5400 kWh, je třeba nainstalovat na střechu rodinného domu
fotovoltaickou výrobnu o výkonu 6,44 kWp.
•
•
•
•
odhadované ztráty vlivem teploty: 11,5 %
odhadované ztráty vlivem úhlové odrazivosti: 3,2 %
jiné ztráty (kabely, invertor, atd.): 12 %
celkové ztráty v systému: 24,7 %
275
Ed – průměrná denní produkce elektrické energie (kWh)
Em – průměrná roční produkce elektrické energie (kWh)
Hd – množství vyrobené elektrické energie za jeden den ze slunečního záření dopadajícího na 1
2
2
m FV panelů (kWh/m )
Hm – množství vyrobené elektrické energie za jeden měsíc ze slunečního záření dopadajícího na
2
2
1 m FV panelů (kWh/m )
Tab. 5.23. Předpokládaný výkon FVE 6,44 kWp

Výběr vhodných komponentů FVE
Fotovoltaické panely
Při správném výběru fotovoltaických panelů je vhodné zohlednit dané parametry
střechy. Jelikož v námi navrhovaném systému máme odklon od jižního směru 30°
západně, použijeme polykrystalické FV panely. Tyto panely se také vyznačují tím, že
v měsících s nižším slunečním zářením jsou schopny dodávat více elektrické
energie, než monokrystalické technologie.
Pozn. Při využívání zelených bonusů je vždy vhodné volit polykrystalického solární
fotovoltaické panely i za předpokladu ideálního sklonu a natočení.
276
Z dostupných solárních fotovoltaických
polykrystalickými panely těchto značek:
modulů
je
možno
vybírat
mezi
- Evergreen
- Kyocera
- Schott
- Solarworld
- Solon
Jedním z hlavních kritérií výběru je poměr cena/výkon. Mezi další kritéria patří stálost
a životnost FV panelů.
Jeden z mála testů solárních fotovoltaických panelů, které provedl časopis Photon.
Během celého roku měřil výnosnost solárních fotovoltaických panelů. A jak je patrno
z výsledků měření nejkvalitnějším modulem se stal polykrystalický modul Solarworld
– SW 210 poly. Zajímavé je, že při téměř ideálních podmínkách natočení solárních
fotovoltaických panelů byl polykrystalický modul výkonnější než monokrystalické
moduly, přičemž panel SW 210 Poly vynikal především v měsících s nižším osvitem.
Obr. 5.97. Test FV panelů
277
Obr. 5.98. Roční výnos FV modulů (kWh/kW)
Největší vypovídací hodnotu má ovšem nezávislý výzkum, kdy jsou jednotlivé moduly
vystaveny stejným klimatickým podmínkám a naměřená data jsou veřejně přístupná
po celou dobu jejich provozu.
Nám nejbližší klimatické podmínky jsou z měření v Německu ve městě Stuttgart.
V tomto výzkumu v celkové výrobě elektřiny vztažené na jeden kWp mezi
polykrystalickými moduly vítězí panel Solon blue P 220. Solon blue P 220 má více
celkově vyrobené elektrické energie, než dříve zmiňovaný vítěz časopisu Photon
Solarworld – SW 210 poly. V tabulce 8 jsou vypsány jednotlivé panely.
Název
solárního Výkon
fotovoltaického
(Wp)
modulu
Tolerance
(%)
Země
původu
Garantovaná
životnost
CSI
230
+/- 3
Čína
90% na 10 len a 1,5
80% na 25 let
Evergreen
220
+/- 2,5
Německo
Kyocera
210
+/- 5
Německo
Schott
217
+/- 0
ČR
90% na 10 len a 2,2
80% na 25 let
90% na 10 len a 2,18
80% na 20 let
90% na 10 len a 2,19
80% na 25 let
278
Cena
(ϵ/Wp)
Solarworld
220
+/- 3
Německo
Solon
230
+/- 3
Německo
91% na 10 len a 2,48
81% na 25 let
90% na 10 len a 1,9
80% na 25 let
Tab. 5.24. Polykrystalické moduly
Ze všech uvedených skutečností vyplývá, že nejlepší volbou jsou fotovoltaické
panely od firmy Solon.
279
Obr. 5.99. Technické parametry solárního fotovoltaického panelu SOLON Blue
230/07

Střídače
Protože je střídač srdcem celé solární fotovoltaické elektrárny, je třeba zajistit
správný výběr invertoru. Pokud by byl zvolen nevhodný invertor, může se snadno
stát, že nebude dosahovat maximálního možného výkonu. Nejen z tohoto důvodu je
třeba zvolit co nejkvalitnější invertor.
Dále je třeba brát v úvahu nemalé investiční náklady, proto by měla být zvolena firma
s dlouholetou praxí a dobrým renomé jako je například firma SMA, u níž se střídače
vyznačují nejvyšší kvalitou a dlouho dobou životnosti bez nutnosti oprav či revizí. Z
nabídky firmy SMA se zdá být jako optimální pro námi navrhovaný systém
jednofázový střídač SMA Sunny Boy 3000.
280
Obr. 5.100. Střídač Sunny Boy 3000
Střídač SMA Sunny Boy 3000 se vyznačuje následujícími parametry:
Hospodárný



Maximální vstupní DC napětí 750 V
Úspora nákladů díky nižšímu počtu paralelních stringů
Řízení zastínění OptiTrac Global Peak
Flexibilní


Kompatibilní se všemi FV panely běžně dostupnými na trhu
Variabilní možnosti nasazení – jako hlavní nebo doplňkový střídač
Jednoduchý




Bez ventilátoru
Jednodušší nástěnná montáž
DC konektorový systém SUNCLIX
Kabelová svorkovnice nevyžadující nářadí
Komunikativní
281


Jednoduché nastavení země
Technologie Bluetooth
Obr. 5.101. Technické parametry střídače Sunny Boy 3000
282
Obr. 5.102. Křivka účinnosti Sunny boy 3000
Tyto dva střídače budou připojeny na první dvě fáze, z kterých bude napájena
většina elektrických spotřebičů v rodinném domě.

Projekční návrh FV elektrárny na střechu rodinného domu
Jednopólové schéma solární fotovoltaické elektrárny a rozvržení solárních
fotovoltaických panelů, na střeše rodinného domu bude nainstalována solární
fotovoltaické elektrárna o výkonu 6,44 kWp. Počet potřebných panelů Solon blue P
230/07 je 28 kusů. Dále budou použity 2 střídače Sunny Boy 3000. Panely budou
uchyceny na střeše rodinného domu pomocí pevné hliníkové konstrukce.
Vhodnost výběru a správného dimenzování střídačů je dobré ověřit pomocí
programu Sunny Design.
Návrhový program Sunny Design
Sunny Design je softwarová aplikace pro projektování a návrh FV systémů. Pomocí
aplikace Sunny Design získáte doporučení možného návrhu svého FV systému.
Aplikace Sunny Design vám přitom navrhne kombinaci FV generátoru/generátorů a
střídače/střídačů, která bude nejlépe odpovídat vašim požadavkům na projektovaný
FV systém, např. co se týče výkonové řady a energetického výnosu.
Kromě toho máte možnost odhadnout a graficky si zobrazit potenciální vlastní
spotřebu elektrické energie, kterou váš projektovaný FV systém vyprodukuje.
283
Položka Označení
nabídková
A
lišta
panel
B
nástrojů
oblast
C
projektu
D
oblast
informací
E
pracovní
oblast
Obr. 5.103. Uživatelské prostředí
Vysvětlení
Pomocí nabídkové lišty můžete spouštět základní funkce
aplikace Sunny Design.
Pomocí panelu nástrojů se rychle dostanete k hlavním
funkcím aplikace Sunny Design.
V oblasti projektu se projektovaný FV systém zobrazuje v
podobě stromové struktury.
V oblasti informací získáte informace o celkovém výkonu
projektovaného FV systému a výkonu jednotlivých střídačů.
Kromě toho si můžete otevřít kontextovou nápovědu.
V pracovní oblasti můžete projektovaný FV systém
konfigurovat. Mezi jednotlivými zobrazeními pracovní oblasti
můžete přepínat pomocí tlačítek na navigační liště.
Tab. 5.25. Vysvětlivky k uživatelskému oknu programu Sunny Design
284
Obr. 5.104. Údaje o projektu
Obr. 5.105. Zobrazení solárního fotovoltaického systému
285
Obr. 5.106. Zobrazení dimenzování kabeláže
Obr. 5.107. Vlastní spotřeba systému
286
Obr. 5.108. Orientace a způsob montáže
Více v návodu na použití programu Sunny Design.
Při návrhu celého systému je vhodné systém optimalizovat a po návrhu zkontrolovat
jednotlivé zvolené komponenty. Výhody realizace projektu v programu Sunny Design
je ten, že si můžete navrhnout celý systém jedné aplikaci se všemi parametry
rodinného domu na který má být solární fotovoltaické elektrárna umístěna a nehrozí
špatně zvolené komponenty či aritmetické chyby ve výpočtech.
Finanční zhodnocení FV elektrárny
Finanční zhodnocení solární fotovoltaické elektrárny bude provedena pro dva
modelové příklady, jak pro již navrženou solární fotovoltaické elektrárnu s
instalovaným výkonem 6,44 kWp, tak pro solární fotovoltaické elektrárny o výkonu
9,2 kWp, která by pokryla celou střechu rodinného domu. U obou návrhů solárních
287
fotovoltaických elektráren bude proveden dvojí výpočet a to pro dotace, jak zelenými
bonusy, tak i výkupními cenami.
Pro finanční zhodnocení jsou použity tři ukazatele a to čistou současnou hodnotu,
vnitřní výnosové procento a dobu návratnosti investice. Podle těchto tří ukazatelů
poté vyhodnotíme nejlepší variantu.
Pro zjednodušení výpočtu finančního zhodnocení solární fotovoltaické elektrárny
bude zanedbáno snížení výkonu solární fotovoltaické elektrárny vlivem stárnutí
solárních fotovoltaických modulů, inflaci a dále také cenu práce použité na budoucí
stavbě solární fotovoltaické elektrárny.
Vycházíme z těchto předpokladů:




Zelený bonus pro rok 2010 11280 Kč/MWh
Výkupní ceny pro rok 2010 12250 Kč/MWh
Cena silové elektřiny (ČEZ) 400 Kč/MWh
Sazba D45d VT = 2978,68 Kč/MWh a NT = 2194,08 Kč/MWh
Průměr za den = 2324,85 Kč/MWh
Tab. 5.26. Finanční analýza jednotlivých variant
Finanční zhodnocení jednotlivých variant:

ČISTÁ SOUČASNÁ HODNOTA (NPV)
Čistá současná hodnota nám udává současnou hodnotu budoucích peněžních toků a
současného výdaje. Finančně nejvýhodnější je varianta, která má čistou současnou
hodnotu nejvyšší. Z toho vyplývá, že nejvhodnější variantou je stavba solární
fotovoltaické elektrárny o výkonu 6,44 kWp s formou podpory zelenými bonusy a
absolutně nevýhodnou se ukázala varianta pro FVE o výkonu 9,2 kWp s podporou
výkupními cenami.
288

VNITŘNÍ VÝNOSOVÉ PROCENTO (IRR)
Vnitřní výnosové procento můžeme definovat jako takovou úrokovou míru, při které
je čistá současná hodnota rovna 0. Tudíž vnitřní výnosové procento udává roční
výnosnost projektu.
U tohoto ukazatele je nejlepší variantou ten projekt, který má vnitřní výnosové
procento nejvyšší. Z rovnice vyplývá, že nejlepší variantou je solární fotovoltaické
elektrárna o výkonu 6,44 kWp s formou podpory zelenými bonusy a druhou nejlepší
variantou je solární fotovoltaické elektrárna o výkonu 9,2 kWp a s podporou zelenými
bonusy.

DOBA NÁVRATNOSTI (DN)
Posledním ukazatelem, který jsme k finančnímu zhodnocení použili je doba
návratnosti investice, která nám ukáže dobu, za kterou se nám vložené finanční
prostředky vrátí. U doby návratnosti je nejlepší variantou ta, která má nejkratší dobu
návratnosti, což je varianta pro solární fotovoltaické elektrárna s instalovaným
výkonem 6,44 kWp a formou podpory zelenými bonusy.
Pro zjednodušení výpočtu zde nebyla započítaná daň z příjmu, jelikož je solární
fotovoltaická elektrárna v době uvedení do provozu a následných pěti letech
osvobozena od daně z příjmu. V šestém roce již majitel solární fotovoltaické
elektrárny musí podávat daňové přiznání a platit daň z příjmu dle zákona 586/1992
Sb. Dále jsme neuvažovali stárnutí modulů a tím snižování jejich nominálního
výkonu. Tudíž se tyto dvě položky částečně vykompenzují.
Ze všech těchto výpočtů vyplynul výsledek, že nejlepší variantou pro rodinný dům
s roční spotřebou 5400 kWh je solární fotovoltaická elektrárna s instalovaným
výkonem 6,44 kWp a formou podpory zelenými bonusy. Finanční prostředky vložené
na stavbu solární fotovoltaické elektrárny se vrátí cca do 6 let. Přičemž solární
fotovoltaické elektrárna je zcela zajištěným zdrojem a nehrozí ztráta investičních
nákladů. Naopak zhodnotit investici o více než 4% (nám vyšlo IRR 11,17 %) nebývá
v dnešní době bezproblémové. Z této úvahy vyplývá, že při nastavení současných
státních podpor (zelené bonusy, výkupní ceny) patří stavba solární fotovoltaické
elektrárny k jedněm z nejlepších projektů, jak zhodnotit finanční kapitál.
Vypracování žádosti o připojení FVE k distribuční soustavě a
žádost o licenci k výrobě elektřiny od Energetického regulačního
úřadu
Prvním krokem, který budoucí majitel solární fotovoltaické elektrárny muset udělat je,
že podá Žádost o připojení výrobny elektrické energie k distribuční soustavě.
289
Rodinný dům v Troubelicích spadá pod distributora elektrické energie, kterým je v
této oblasti ČEZ.
Dále se k této žádosti přikládá situační plánek se zakreslením umístění solární
fotvoltaické elektrárny, souhlas spoluvlastníka a jednopólové schéma zapojení
hlavních síťových a ochranných obvodů. Distributor sítě má 30 dní na vyjádření a
poté zasílá stanovisko k žádosti o připojení odběrného místa k distribuční síti.
Pokud klient obdrží kladné stanovisko, nic nebrání výstavbě. Stavba solární
fotovoltaické elektrárny na střeše rodinného domu nepodléhá kolaudačnímu
souhlasu ani stavebnímu povolení.
Dalším důležitým krokem je získání licence na výrobu elektrické energie od
Energetického regulačního úřadu. Jakmile má klient solární fotovoltaickou elektrárnu
nainstalovanou, má revize a vše potřebné k získání licence, zažádá o ni. Po získání
licence na výrobu elektrické energie zažádá klient o smlouvu na odkup přebytečné
elektrické energie distributora.
ČEZ uděluje výrobně elektrické energie zkušební provoz, který trvá obvykle 30 dní.
Jakmile zkušební provoz skončí, distributor uzavírá smlouvu o odkupu přebytků.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
PADĚRA, Jiří. Kogenerační jednotka pro domácí použití. Brno, 2008.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/13683/Kogenerační%20j
ednotky%20pro%20domácí%20využití_Jiří%20Paděra.pdf?sequence=1.
Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství, Energetický ústav.
Větrné elektrárny. Ministerstvo životního prostředí [online]. Praha 10, 2014 [cit.
2014-05-27]. Dostupné z: http://www.mzp.cz/cz/vetrne_elektrarny
KOUBKOVÁ, Lucie. Vytápění rodinného domu s využitím tepelného čerpadla.
Brno,
2008.
Dostupné
z:
https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=5659.
Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství, Energetický ústav.
KUBIK,
Martin.
Tepelná
čerpadla.
Brno,
2010.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/16024/2010_BP_Kubik_
Martin_107370.pdf?sequence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v
Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav.
290
[5.]
[6.]
[7.]
[8.]
[9.]
[10.]
[11.]
[12.]
[13.]
[14.]
HORÁK Bohumil, FRIEDRISCHKOVÁ Kristýna. Obnovitelné zdroje energie,
Fotovoltaika a její aplikace. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-25]. Interní dokument.
Friedrischková, Kristýna. Měřící systém solárního fotovoltaického panelu.
Ostrava, 2011. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, Fakulta
elektrotechniky a informatiky, Katedra měřící a řídicí techniky.
PADĚRA, Jiří. Kogenerační jednotky pro domácí využití. Brno, 2008.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/13683/Kogenerační%20j
ednotky%20pro%20domácí%20využití_Jiří%20Paděra.pdf?sequence=1.
Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství, Energetický ústav.
NAVRÁTILOVÁ, Jana Marie. Kombinovaný systém vytápění a ohřevu teplé
vody pro rodinný dům. Ostrava, 2010. Dostupné z: http://files.janamarie.webnode.cz/200000028-09f0f0aeb2/Diplomová%20práce%20%20Navratilova%20%20Tepelne%20cerpadlo%20a%20solarni%20system%20pro%20vytapeni%2
0a%20pripravu%20TUV.pdf. Diplomová práce. VŠB – Technická univerzita
Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky
PTÁČEK, Martin. Kogenerační jednotka. Brno, 2008. Dostupné z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/7411/DP_Ptacek__Kogeneracni_jednotka.pdf?sequence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení
technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav.
NOVOTNÝ, Jan. Optimalizace instalace kogenerační jednotky v rodinném
domě.
Brno,
2009.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/8629/DP_komplet.pdf?s
equence=2. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta
elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky.
HAMRŠMÍDOVÁ, Dana. Projekt uplatnění kogenerační jednotky na výrobu
elektřiny a tepla s využitím bioplynu v ČOV. Zlín, 2010. Dostupné z:
http://dspace.k.utb.cz/bitstream/handle/10563/14384/hamršmídová_2010_dp.
pdf?sequence=1. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta
managementu a ekonomiky.
NOVÁK, Václav. Kogenerační a trigenerační jednotky. Plzeň, 2012. Dostupné
z:
https://otik.uk.zcu.cz/bitstream/handle/11025/2784/BC_Vaclav_Novak.pdf?seq
uence=1. Diplomová práce. Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta
elektrotechnická, katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky.
BĚLOHLÁVEK, Karel a Michal KOLOVRATNÍK. Využití mikro-kogeneračních
jednotek se Stirlingovým motorem pro KVET v rodinných domech. STČ 2014:
Konference studentské tvůrčí činnosti. http://stc.fs.cvut.cz/pdf13/2622.pdf
TZB INFO. TZB-info [online]. 2007
http://energie.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=5470
291
[cit.
2014-05-25].
Dostupné
z:
[15.]
ONDŘEJ LINBERK. Solární energetika v České republice [online]. 2010 [cit.
2014-05-25]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/10limberk.pdf
[16.]
VŠB-TUO. Regionální centrum celoživotního vzdělávání [online]. 2010 [cit.
2014-05-25]. Dostupné z: http://rccv.vsb.cz/Island/docs/Fotovoltaika2.pdf
[17.]
CZ RE Agency. Česká agentura pro obnovitelné zdroje energie [online]. 2009
[cit.
2014-05-25].
Dostupné
z:<
http://www.czrea.org/cs/druhyoze/fotovoltaika/ziv-cyklus
[18.]
Rozvoj vysokoškolského vzdělávání v oblasti obnovitelných a alternativních
zdrojů energií. Internetový portál podporovaný grantovou smlouvou č.
3/005/08/2.
Fotovoltaika.
18.4.2013
[2009].
Dostupné
z
<http://rccv.vsb.cz/Island/docs/Fotovoltaika.pdf>
[19.]
Michal Straka. Typový projekt elektroinstalace pro rodinný dům využívající
fotovoltaický systém, Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky.
19.4.2013
[2010].
Dostupné
z
<
http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=27809
>
[20.]
Karel Polanecký, Jiří Bursa. Hnutí Duha. Jak využívat obnovitelné zdroje
energie, Praktický rádce pro domácnost a obce. 10.5.2013[2002]. ISBN 80902823-6-9
plk. Ing. Zdeněk Hošek. Požární bezpečnost fotovoltaických systémů. MV –
generální ředitelství Hasičského záchranného sboru ČR, publikováno
v časopise Elektro – odborném časopise pro elektroniku. 18.5.2013[ 4/2011].
Dostupné
z
<
http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=43306>
Conergy Česká republika, spol. s r. o. Bezpečnost fotovoltaické instalace.
publikováno v časopise Elektro – odborném časopise pro elektroniku.
18.5.2013[
4/2011].
Dostupné
z
<
http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=43305 >
SMA. Střídače Sunny Boy 3000, Návrhový program Sunny Design. 18.5.2013.
Dostupné z <http://www.sma-czech.com>
[21.]
[22.]
[23.]
292
6 Elektrmobilita a smart grid
Elektromobilitu v moderním pojetí chápeme nejen jako tradiční obor zabývající se
rozvojem a využitím elektromobilů. Propojením výhod Elektromobilita jako komplexní
řešení pro využití elektrické energie jako nejvýhodnějšího energetického zdroje
dnešní západní civilizace se propojuje s novým revolučním pohledem na řešení
problémů stability energetických a distribučních sítí jejich přeměnou na Inteligentní
sítě, tedy Smart grids .
Propojením Elektromobility a Smart grids (inteligentních sítí) vzniká nový dynamický
high techový obor, jehož výsledky eliminují dvě klíčové hrozby, jež ohrožují budoucí
rozvoj západní civilizace. Těmi jsou nestabilita energetických sítí a nespolehlivost
distribučních dopravních sítí (strategická závislost na ropě a plynu, nepředvídatelné
cenové turbulence, vyčerpatelnost surovinových zdrojů).
A co víc, Elektromobilita jako automatický efekt svých řešení přináší dramatické
zvýšení efektivity všech integrovaných kooperujících systémů a nečekaně významný
zisk na stranách výrobců, distributorů i dnešních spotřebitelů.
A samozřejmě zapojení elektromobilů do Smart grids výrazně sníží náklady a zrychlí
masový a plošný nástup elektromobilů, což bude mít zpětně za následek dramatické
zvýšení stability sítí a zhodnocení všech dnes známých výrobních kapacit, které
nebudou omezovány limitovanou kapacitou dnešních distribučních soustav.
Spolu s houstnoucími řadami propagátorů E-mobility jsme si jisti, že jediným
východiskem z do této chvíle neřešitelného problému rostoucí nestability sítí a
permanentně rostoucí hrozby black-outů, tedy problému, kam s obrovskými
krátkodobými přebytky, a identicky, jak pokrýt krátkodobé dramatické deficity, je
budování tzv. Smart grids, neboli inteligentních sítí.
Jejich principem je zásadní obrat, kdy kolabující historický princip „Výroba-distribucespotřeba“ je nahrazen rozpuštěním (rozptýlením) obrovských dnes transportovaných
kvant energie do sítě, kdy dříve pasivní články sítě (spotřebitelé), se stanou aktivními
prvky systému (skladovateli a v jistém smyslu slova i distributory nebo alespoň
redistributory energie).
6.1. Elektromobily
Elektromobilita
Dynamický, často i turbulentní civilizační vývoj na počátku 21. století nabízí skvělé
příležitosti, ale přináší i nebývalé hrozby. Využití příležitostí i eliminace hrozeb jsou v
silně propojeném celku planety Země, v němž je lidská společnost stále významnější
částí, podmíněny poznáním komplexních příčinných vztahů i detailním
vybalancováním spotřeb a zdrojů. Proto zde není jednoduchých řešení.
Pokusem o komplexní systémové řešení je elektromobilita. Jejím globálním cílem je
zajistit široce dostupnou mobilitu (dopravu, přepravu) na úrovních regionů, států i na
globální úrovni tak, aby se postupně a řízeně omezovala zátěž životního prostředí,
293
energetická závislost územních celků i čerpání neobnovitelných
Elektromobilita v tomto pojetí je aliancí několika komplexních systémů:

elektrických nebo hybridních vozidel,

inteligentní dopravní infrastruktury,

inteligentních
zásobníků,

sítí nabíjecích stanic.
energetických
sítí
(smart
grids),
včetně
zdrojů.
energetických
Přínosy zavádění elektromobility mohou být mimo jiné tyto:

čistá, přátelská a ekonomická veřejná i individuální doprava v městských
aglomeracích

snížení ekologické zátěže území, způsobené dopravou

zvýšení energetické bezpečnosti území

zvýšení schopnosti energetických sítí akceptovat nestabilní a rozptýlené
„zelené“ zdroje

příležitost k zvýšení konkurenceschopnosti regionů na základě osvojení
moderních technologií, s elektromobilitou svázaných

zlepšení ekonomie, spolehlivosti, bezpečnosti i dynamiky dopravy v důsledku
zvýšené inteligence vozidel i odpovídajících infrastruktur.
Elektromobilita využívá synergie svých komponent a tak umožňuje dosáhnout
multiplikativních efektů. Její zavádění bude zřejmě rozloženo do 2 - 3 desetiletí a
výzvou je tedy i harmonizace tohoto procesu.
Elektromobil

Historie
Za historicky první elektromobil je považován vůz sestavený holandským profesorem
Sibrandusem Stratinghem a jeho asistentem Christopherem Beckerem z roku
1835[1]. První elektromobil vznikl přibližně o 50. let dříve, než první automobil se
spalovacím motorem sestavený Karlem Benzem v roce 1886. 29. Dubna 1899
Camille Jenatzy překonává jako první na světě 100 km/h hranici se svým
elektromobilem Jamais Contente ve tvaru připomínajícím doutník. V Československu
se do historie elektromobilů zapsal Ing. František Křižík již v roce 1895 svým prvním
elektromobilem poháněným elektromotorem o výkonu 3,7 kW který byl napájen
olověným akumulátorem s 42 články. Za nejpovedenější motorové vozidlo z
Křižíkovy dílny je považován až jeho třetí vůz Landaulet se dvěma elektromotory
pohánějícími každý jedno zadní kolo. Na vývoji elektromobilu se podílel i pobočný
závod Škody Plzeň Škoda Elcar v Ejpovicích na počátku 90. let 20. století. Prvním
vyrobením prototypem byla Škoda Shortcut. Na počátku 20. století jezdilo v USA
294
dokonce více elektromobilů než automobilů až do té doby, než Fordovo "T" model
svou nízkou cenou a spolehlivostí vytlačil elektromobily do ústraní.
Elektromobily jsou automobily na elektrický pohon. Jako zdroj energie využívají
obvykle akumulátor, který musí být před jízdou nabit a na jehož kapacitě závisí
dojezdová vzdálenost elektromobilu. Předpokládá se, že elektromobily se budou
využívat v čím dál vyšší míře.
E-mobilita je technologickou a environmentální revolucí, která "zaběhlé" zvyky
nemění, ale zjednodušuje je.
Obr. 6.1. Uložení komponent elektromobilu Citroen
295

Výhody
Převádění energie na pohyb s účinností až 90 % (v případě asynchronního motoru)
oproti 30–40% účinnosti spalovacího motoru. Celková účinnost pohonu závisí na
účinnosti výroby elektřiny pro pohon z primárního zdroje a energetické účinnosti
použitých akumulátorů či palivových článků (ta se pohybuje kolem 50–80 % podle
použité technologie – olovo, NiMH, Li-ion, Li-pol).
Na rozdíl od běžného automobilu lze zvyšovat využití energie tzv. rekuperací, v
praktickém provozu až o přibližně 25 % – to je možné zvláště v městském provozu
nebo členitém terénu.
Elektromobily neprodukují svým provozem výfukové plyny a i se započítáním výroby
elektrické energie ze "špinavějších" zdrojů (např. hnědé uhlí) je jejich bilance vlivu na
životní prostředí obvykle lepší než u automobilů se spalovacími motory.
Bezúdržbový provoz trakčního systému, pokud je vozidlo vybavené BMS (Battery
Management System) a tepelnou ochranou trakční akumulátorové baterie.
Elektromobily nezatěžují okolí hlukem, což je výhodou zvláště v místech s vysokou
zalidněností a hustým provozem, kde se nyní musí kvůli hlukové zátěži přijímat
nákladná opatření, např. stavba protihlukových stěn a valů, snižování rychlosti
(Praha – magistrála, Jižní spojka apod.)

Nevýhody





vyšší pořizovací náklady
pravděpodobně výraznější pokles ceny při odprodeji (než u konvenčních
automobilů)
malá dojezdová vzdálenost
řídká síť nabíjecích stanic
Baterie
Baterie jsou velmi důležitou součástí elektromobilu. V minulosti byla baterie
elektromobilu nejdražší součástí vozu a navíc se vyznačovala krátkou životností.
Technologický vývoj ale neustále zlepšuje účinnost i výdrž baterií elektromobilů.
Prodloužení životnosti lithiových baterií umožnila především technologie BMS
(Battery Management System).

Spotřeba
Klíčovým ukazatelem každého automobilu je jeho spotřeba a náklady na provoz. V
současné době jsou podle řady odborníků celkové náklady na provoz elektromobilů
srovnatelné s běžnými automobily. Elektromobil je však méně náročný na spotřebu.
Na 100 km potřebuje elektromobil v průměru přibližně 13 kWh elektřiny, v běžné
distribuční sazbě (D02d) nás tedy 100 km vyjde zhruba na 59 Kč, ale např.
domácnosti s akumulační sazbou (D25d) zaplatí za 100 km za předpokladu nabíjení
v nízkém tarifu pouze 25 Kč. Konvenční automobil se zážehovým (benzínovým)
296
motorem a průměrnou spotřebou 7 l/100 km ujede stejnou vzdálenost za cca 210
korun.

Legislativa
Řidičské oprávnění opravňuje jeho držitele k řízení motorového vozidla zařazeného
do příslušné kategorie. Podle § 81 zákona č. 361/2000 Sb., o provozu na pozemních
komunikacích a o změnách některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, se
řidičské oprávnění k řízení motorových vozidel dělí podle skupin a podskupin.
Elektrobusy
Jednou z variant elektromobilu je i elektrobus, elektrický autobus. První elektrobus na
pravidelné lince jezdil v Santa Barbaře v Kalifornii, první evropský elektrobus na
pravidelné lince jezdil ve Znojmě. Vyvinula jej společnost ČAS SERVICE s využitím
karoserie trolejbusu Škoda 21Tr. V roce 2010 vyrobila prototyp elektrobusu i česká
firma SOR Libchavy a označila jej jako SOR EBN 10,5 (tento vůz je v provozu v
Ostravě). Kromě SORu je jediným současným výrobcem elektrobusů v Evropě
italská společnost BredaMenarinibus (dva minibusy BredaMenarinibus Zeus M 200
jezdí na Malé Straně v Praze).
6.2. Smart grids
Představují v porovnání s tradičními sítěmi inteligentní a otevřený systém, který
dovolí efektivní kombinování elektrické energie z tradičních a alternativních zdrojů.
Chytré sítě jsou schopny samy reagovat na hrozící přetížení a přesměrovat tok
elektřiny tak, aby předešly možným výpadkům. Smart Grids také dokážou
monitorovat děj a technický stav sítě a řešit poruchy i eventuální výpadky. V reálném
čase také zvládnou komunikovat se zákazníkem a optimalizovat jeho spotřebu s
přihlédnutím k ceně i životnímu prostředí.
Rozvojem elektromobility a obzvláště pak včasným budováním Smart grids a
rozvojem nových energetických zdrojů se podstatně zvýší energetická bezpečnost
samotných občanů tohoto regionu, ale nejen to, velmi dramaticky vzroste dlouhodobý
strategický význam i vliv České republiky v rámci evropského hospodářského
prostoru a jeho distribučních sítí.
Spotřeba elektrické energie
Hlavním důvodem rozvoje energetických systémů je spotřeba pokrytí spotřeby
elektrické energie a snižování emisí sloučenin uhlíku, aby nedocházelo k nevratným
změnám na životním prostředí. A to všechno za předpokladu neporušení
spolehlivosti a stability dodávky elektrické energie.
297
Obr. 6.2. Světová spotřeba elektrické energie
V letech 2000 a 20010 narůstala světová spotřeba elektřiny v průměru o 2,6% ročně
a tento trend bude v budoucnu i nadále pokračovat ve vzrůstovém tempu a
předpokládá se roční spotřeba energie kolem 30 000 terawatthodin.
Vzhledem k tom, že se lidská populace neustále rozrůstá předpokládá se, že potřeba
elektrické energie stále poroste a s pokrokem, který je všude kolem nás se nároky na
jeji kvalitu budou také zvyšovat.
Obr. 6.3. Celosvětová produkce energie (TWh)
Vlivy působící na energetiku můžeme rozdělit do tří skupin:
1. Společensko-politické vlivy
 Klesající stabilní rezerva ve výrobě elektrické energie
 Otevření trhu s elektrickou energií
298

Rozdělení klíčových činností v oblasti podnikání s výrobou, distribucí a
prodejem
 Elektrické energie
 Snižování možnosti eliminovat mimořádné situace
 Nárůst požadavků na dálkový transport elektrické energie
 Nárůst objemu nestabilní výroby
 Nově vznikající požadavky na systémové a podpůrné služby
2. Spotřebitelské vlivy
 Vyšší spotřeba elektrické energie
 Nové typy spotřebičů
 Zájem o distribuovanou výrobu
 Vyšší požadavky na dodávku a kvalitu
 Vyšší zájem o doplňkové služby
3. Výrobní a distributorské vlivy
•
•
•
•
•
•
•
Stále vyšší orientace na finanční výsledky
Outsourcing vybraných procesů
Regulovaná služba distribuce
Provozování technologií na hranici klíčových parametrů
Ztráta historických znalostí a zkušeností
Ubývání servisních míst
Další požadavky na optimalizaci procesů
Spotřeba elektrické energie v domácnostech
Spotřeba elektrické energie v rodinných domech/bytech se liší od spotřeby elektrické
energie koncernů a podniků, kde bývá spotřeba rovnoměrně rozdělena v průběhu
celého dne, zatím co v domácnostech se v 90% spotřeba elektrické energie
odehrává v odpoledních až pozdních hodinách.

Časový vývoj spotřeby
Nevýhoda velkých elektráren je omezená možnost regulace výkonu. Uhelná
elektrárna najíždí na plný výkon několik hodin až půl dne, jaderná elektrárna najíždí
na plný výkon několik týdnů. Pro solární, či větrné elektrárny je omezením
nerovnoměrnost slunečního svitu a větru. Tyto výkyvy jsou vyrovnávány vodními
elektrárnami, ale to vždy nemusí stačit. Proto v době přebytku je třeba ji akumulovat
pro pozdější využití v době jejího nedostatku a tak vyrovnávat rozdíly mezi
špičkovým odběrem a odběrem mimo špičky. Z tohoto důvodu je třeba sledovat
časový vývoj spotřeby elektrické energie. K tomuto účelu se používají odběrové
diagramy. Pro problematiku chytrých sítí jsou nejdůležitější denní. Tyto diagramy
vyjadřují průběh spotřeby (výroby) elektrické energie. Průběh zatížení je ovlivněn
299
například klimatickými podmínkami, pracovní aktivitou, střídáním ročních období,
pracovních a volných dnů, pracovní a nepracovní doby a střídáním dne a noci.
Obr. 6.4. Příklad denního diagramu spotřeby elektrické energie
Obr. 6.5. Příklad denního diagramu spotřeby elektrické energie
300
301

Linearizace denní spotřeby
Pokud vyrovnáme (linearizujeme) denní diagram zatížení náklady na výrobu
elektrické energie klesnou. Prostředky pro vyrovnání denního diagramu zatížení jsou
přečerpávací vodní elektrárny, které při nedostatku elektrické energie ji do sítě
dodávají, při přebytku energie ji ze sítě odebírají. Další jsou chytré sítě, či hromadné
dálkové ovládání, což je ovládání spotřebičů signálem po rozvodné síti (tepelná
čerpadla, závlahové systémy, akumulační kamna, bojlery apod.), to je podpořeno
zavedením zvýhodněním tarifů (tzv. noční proud). Změna letního času má vliv na tvar
diagramu zatížení, snižuje večerní špičku, vliv na spotřebu elektřiny není zcela
průkazný. Pro regulaci je výhodná mezinárodní výměna elektrické energie v rámci
propojených elektrizačních soustav jednotlivých států. Například v jedné soustavě
může být díky časovému posuvu energie přebytek, v druhé soustavě jí může být
naopak nedostatek. Regulovat lze i posunutím a rozložením začátků pracovní doby v
čase směnnost a podobně.

Nasazování zdrojů do sítě
Nasazování zdrojů do sítě podle diagramu lze rozdělit do tří pásem a to základní,
pološpičkové a špičkové. Základní zdroje dodávají energii nepřetržitě 24 hodin.
Elektrárny jsou provozovány pouze s malými změnami výkonu as poměrně vysokou
účinností. Je zde potřeba levné energii za cenu vyšších investičních nákladů. Pracují
zde jaderné a moderní tepelné elektrárny velkých výkonů, teplárny, podnikové a
průtočné vodní elektrárny. Pološpičkové jsou především klasické tepelné elektrárny a
akumulační vodní elektrárny. Změny výkonu musí být dostatečně rychlé. Jako
špičkové jsou označovány především přečerpávací vodní elektrárny. Lze využít také
akumulační vodní elektrárny a elektrárny s plynovými turbínami. Zdroje musí mít
krátkou najížděcí dobu a velkou rychlost změny výkonu. Doba využití elektrárny
během dne je nízká. Cena vyrobené elektrické energie je vyšší a není rozhodujícím
kritériem.
302
Obr. 6.6. Nasazování zdrojů energie podle zatížení sítě
Důvody k používání chytrých sítí
S postupující liberalizací trhu s elektřinou se mění i nároky a očekávání spotřebitelů
týkající se možností aktivně kontrolovat svoji spotřebu a požadavků na tarify šité na
míru jejich potřebám. Již je tomu 120 let od okamžiku, kdy Nikola Tesla prezentací
svých vynálezů, využívajících střídavý proud, v Americkém institutu elektroinženýrů
tedy obrazně položil základy distribučním sítím, které jsou v téměř nezměněné
podobě používané až dodnes. Hlavními parametry těchto tradičních distribučních sítí
jsou centralizovaná výroba a jednosměrný tok energie od výrobce směrem ke
konečnému spotřebiteli. Za dobu, která uplynula od zveřejnění Teslových vynálezů,
se změnily potřeby a požadavky na celou distribuční síť. Byl zaznamenán také
pokrok v technologických možnostech její automatizace, dálkového řízení a kontroly.
Zejména v posledním desetiletí je kvůli rostoucím cenám fosilních paliv, jejich
tenčícím se zásobám a vlivu emisí CO2 na globální klima především ve vyspělých
státech patrný příklon k výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů. Ty se svou malou
instalovanou kapacitou a decentralizovaným charakterem výroby zásadně liší od
tradičních výrobních zdrojů založených na fosilních palivech. Jejich použití může mít
za následek tzv. ucpání sítě. Proměnlivost dodávek ze zdrojů obnovitelné energie
zase může vést k poměrně závažným problémům se spolehlivostí sítě. V minulosti
vždy elektřina proudila jedním směrem, tedy z elektrárny ke spotřebiteli. Nicméně
dnes, kdy alternativní zdroje vyrábějí stále větší objem obnovitelné energie, vstupuje
elektřina do sítě z mnoha míst, a to včetně distribuční sítě (tzv. distribuovaná
303
generace). Stávající rozvodná síť však není na takové vícesměrné proudění elektřiny
stavěna. Je zřejmé, že tento trend bude do budoucna posilovat. Podle Mezinárodní
agentury pro energii vzroste do roku 2030 v Evropě podíl elektřiny vyrobené z
obnovitelných zdrojů na celkové vyrobené elektřině ze současných 13 % na 26 %. Z
předpovědí Evropské komise dále vyplývá, že kapacita decentralizované výroby se v
rámci Evropské Unie zvýší do roku 2020 o 400 % a dosáhne 10% podílu na celkové
výrobní kapacitě. Integrace tak velkého množství decentralizovaných výroben do
distribuční sítě s sebou přinese nové požadavky na její řízení a celkové uspořádání.
Mění se i nároky a očekávání spotřebitelů týkající se možností aktivně kontrolovat
svoji spotřebu a požadavků na tarify šité na míru jejich potřebám. Této emancipaci
spotřebitelů je navíc v řadě evropských zemí aktivně napomáháno i ze strany
místních energetických regulátorů upřednostňováním nebo vyžadováním instalace
chytrých elektroměrů tzn. digitálních elektroměrů schopných oboustranné dálkové
komunikace a kontinuálního měření průtoku elektřiny. Jako příklad zde můžeme
uvést Itálii, Nizozemí a Švédsko, kde je plánována celoplošná instalace těchto
elektroměrů.
Z toho vyplývá, že distribuční sítě v dnešní podobě již pomalu přestávají stačit
nárokům, které na ně ti, jež je využívají, kladou a do budoucna budou klást. Zhruba
před pěti lety se v souvislosti s distribučními sítěmi nové generace začal používat
termín smart grids. Smart grids můžeme definovat jako inteligentní, samočinně se
řídící a regulující přenosové/distribuční sítě, schopné přenášet elektřinu vyrobenou z
jakéhokoliv zdroje od centralizované i decentralizované výrobny až ke konečnému
spotřebiteli, a to vše s minimem lidských zásahů. Tyto sítě umožní optimální využití
elektřiny z obnovitelných zdrojů, což povede k podstatnému snížení emisí CO2.
Zároveň jsou schopné samy reagovat na hrozící přetížení v síti a přesměrovat tok
elektřiny, čímž předcházejí možným výpadkům. Máme-li uvést základní atributy
těchto sítí nové generaci, musíme především zmínit plnou automatizaci zahrnující
digitální kontrolní a řídicí systém, integrované senzory monitorující chování sítě a
automatické obnovování provozu po poruše, včetně procesu sebezotavení. Nedílnou
součástí je dostupnost informací v reálném čase o zatížení sítě, kvalitě dodávky,
přerušení apod. Hlavními přínosy plné automatizace jsou lepší kontrola nad sítí spolu
s minimalizací možných poruch a výpadků díky možnosti flexibilně přesměrovat tok
elektřiny, a izolovat tak postižené místo, což samozřejmě vede i ke zlepšení kvality
dodávky elektřiny.
Plná integrace zákazníků spočívající jak v instalaci digitálních měřidel dovolujících
obousměrný přenos informací, tak v začlenění zákaznických elektrických zařízení
přímo do sítě. Přesné informace v reálném čase umožní vznik sofistikovaných tarifů
stanovujících cenu za spotřebovanou elektřinu podle aktuální situace v síti. To spolu
se schopností ovládat dálkově "chytré" domácí spotřebiče dá zákazníkům příležitost
lépe řídit svoji spotřebu, např. zapínat ohřev teplé vody nebo praní prádla, pouze
existuje-li v síti volná kapacita. Na druhou stranu energetické společnosti získají
304
přesné informace o chování jednotlivých zákaznických segmentů, což v ideálním
případě povede ke zkvalitnění jejich služeb.
Smart grids zapojí do tradiční distribuční sítě další výrobní zdroje a umožní
obousměrný tok elektřiny k zákazníkovi i od něj. Do sítí budou elektřinu dodávat
nejen dnes běžné velkokapacitní elektrárny, ale navíc budou zapojeny menší lokální
či regionální zdroje, jako například palivové články, solární elektrárny, větrné farmy,
mikroturbíny a jiné decentralizované technologie výroby elektřiny. Tímto bude
umožněno, aby koncoví zákazníci z řady měst a obcí či obchodních firem a
průmyslových podniků vyráběli elektřinu vlastními zdroji a její přebytky dodávali do
sítě, případně při jejím nedostatku ze sítě čerpali. Předpokladem je samozřejmě také
obousměrný tok elektřiny mezi distribučními a přenosovými soustavami.
Chytré sítě ve světě
Téma smart grids je již určitou dobu aktuální v USA i v zemích Evropské unie, a to
jak mezi státními a správními orgány, tak v soukromém sektoru. Ve Spojených
státech se oblastí smart grids zabývá přímo ministerstvo energetiky, které před
dvěma lety vyhlásilo program s názvem Strategie moderní sítě. Tento program se
soustředí na vývoj a zavedení technologií v oblastech integrované komunikace,
pokročilých zařízení, metod řízení sítě, měření a vyhodnocování stavu sítě a jejích
komponent a systémů pro podporu rozhodování.
Nejpokrokovějšími státy jsou z pohledu implementace konceptů smart grids
Kalifornie a Colorado. V San Diegu místní energetická společnost San Diego Gas &
Electric ve spolupráci s lokální univerzitou připravila v roce 2006 studii, která navrhla
a prioritizovala hlavní iniciativy pro vytvoření inteligentní sítě do roku 2016. Součástí
studie byla také kvantifikace přínosů v oblasti úspor při údržbě sítě, vyššího využití
přenosových kapacit, snížení poptávky po energii ve špičkách, vytvoření pracovních
míst v regionu atd. Z dlouhodobého pohledu dvaceti let mohou tyto přínosy celkem
dosáhnout téměř 3 miliard USD při investicích přibližně 0,5 miliardy USD a
provozních nákladech 25 milionů USD ročně.
Situace ve městě Boulder v Coloradu je ještě o krok dále. Iniciátorem je zde
energetická společnost Xcel Energy, jeţ ve spolupráci se Smart Grid Consortium
provádí analýzu současného stavu infrastruktury ve městě s cílem stanovit rozsah a
směr výstavby smart grid. Dle předběžného plánu má být celé město pokryto
inteligentní sítí do roku 2010, přičemž celková investice obnáší cca 100 milionů USD.
Síť bude tvořena prvky pokročilých komunikačních technologií a chytrými elektroměry
s programovatelným ovládáním pro domácnosti, které umožní uživatelům
automatizovat kontrolu nad spotřebou elektrické energie. Nabyté zkušenosti budou
následně využity při plánování implementace smart grids ve všech sítích Xcel
Energy.
V Evropě vývoj na tomto poli také nestojí. V rámci institucí EU zahájila v roce 2005
svou činnost skupina pojmenovaná Smart Grids European Technology Platform.
Jejím cílem je vytvořit společnou vizi pro rozvoj moderní evropské elektrické sítě do
305
roku 2020 a tuto vizi také implementovat v jednotlivých zemích. Platforma sdružuje
více než 200 expertů z energetických společností, dodavatelů zařízení,
poradenských společností, politických i akademických kruhů. Jedním z jejích prvních
výsledků je dokument Strategický plán pro energetické technologie (Strategic Energy
Technology Plan). Dokument stanovuje energetické cíle EU do roku 2020. Kromě
podpory biopaliv a technologií pro snižování CO2 se zaměřuje také na další oblasti vznik inteligentních elektrických sítí včetně skladovacích zařízení pro elektrickou
energii. Tyto sítě by také měly umožnit integraci všech obnovitelných
decentralizovaných výrobních zdrojů a také zavedení efektivnějších koncových
zařízení a systémů, např. palivových článků apod. V několika státech EU již začaly
energetické společnosti přicházet s konkrétními projekty. V Portugalsku plánuje do
konce roku 2009 konsorcium InovGrid investovat do vzniku inteligentních sítí 20
milionů eur. Spotřebitelů se tato investice dotkne prostřednictvím instalace energy
boxu v každém domě. Ten v první fázi umožní domácnostem zjednodušenou správu
účtů za elektřinu a dále pak domácnostem s generátory energie z obnovitelných
zdrojů obousměrný tok elektrické energie, tzn. její nákup i dodávku do sítě. Ve
španělské části Pyrenejského poloostrova firma Iberdrola pracuje na definici a
testování nové otevřené veřejné telekomunikační architektury, která bude sloužit jako
podpora "chytrým" elektroměrům a rovněž bude základem architektury budoucích
inteligentních elektrických sítí. Nicméně aktivní v této oblasti nejsou pouze
jihoevropské státy, Irsko nedávno oznámilo svůj záměr investovat do inteligentních
elektroměrů a sítí 10 miliard USD jako součást své snahy o snížení emisí CO2 pod
limity stanovené EU. V řadě evropských zemí jsou navíc technologické inovace a
investice do nich přímo či nepřímo podporovány místními energetickými regulačními
úřady. EU předpokládá, že instalace chytrých měřidel v distribuční síti dosáhne v
roce 2020 80 %.
Chytré sítě u nás
U nás energetická společnost ČEZ představila pilotní projekt Smart Region, vůbec
první projekt tohoto typu v České republice. V průběhu pěti let investuje půl miliardy
korun do zavedení a testování inteligentních technologií v distribuční síti města
Vrchlabí. ČEZ plánuje vybavit přibližně 4500 vrchlabských domácností a podniků
Smart Meters (chytrými měřidly). Jedná se o moderní elektroměry, které měří
spotřebu energie podrobněji, díky čemuž bude mít odběratel lepší přehled o své
spotřebě energie a bude moci ji více ovlivnit. V budoucnu bude mít odběratel na
výběr ze širší nabídky tarifů šitých na míru jeho potřebám, podobně jako je tomu nyní
u tarifů mobilních operátorů. Prostřednictvím instalace chytrých měřidel ČEZ plánuje
vyzkoušet nový koncept řízení spotřeby a výroby elektrické energie. Také nainstalují
prvky automatizace a monitoringu distribuční sítě na úrovni sítí nízkého a vysokého
napětí a distribučních trafostanic, které umožní přesměrování toku energie v případě
výpadků. Nové funkcionality umožní zmenšit rozsah poruch v části sítě nízkého
napětí. Dalším komponentem projektu Smart Region je vybudování infrastruktury pro
elektromobily. ČEZ chce ve Vrchlabí postavit několik dobíjecích stanic a poskytnout
306
městu několik elektromobilů. Akumulátor v elektromobilu může v budoucnu sloužit k
vyrovnávání špiček v odběrovém diagramu a tím pomoci k celkové vyváženosti mezi
dodávkou a oděrem elektrické energie v distribuční síti. Kromě využívání energie z
velkokapacitních elektráren budou zapojeny lokální zdroje energie, tzn. jednotky
kombinované výroby tepla a elektrické energie a různé typy obnovitelných zdrojů
energie. Nebude již docházet k tomu, že obnovitelné zdroje budou distribuční síť
destabilizovat, naopak budou efektivně doplňovat současné zdroje energie. Lokální
výrobní zdroje umožní vytvoření a testování tzv. řízeného ostrovního provozu, coţ je
bilančně vyrovnaný provoz mezi spotřebou a výrobou ve Smart Regionu.
Budoucnost chytrých sítí
V novodobé koncepci využití elektrické energie, která počítá se zaváděním
úsporných opatření s cílem snižování emisí a využitím "zelených" a distribuovaných
zdrojů energie, bude potřeba adekvátně přizpůsobit i elektrické distribuční sítě. Smart
grids je bezesporu způsob, který je reálně uskutečnitelný a nabízí vše podstatné. Je
však potřeba podotknout, že jeho úspěšná implementace nezávisí pouze na
technické stránce sítě, nýbrž je úzce spjata i s dalšími oblastmi. Bude potřeba dále
provádět intenzivní výzkum a vývoj se zaměřením na distribuované zdroje a
skladování energie, které jsou klíčovým prvkem a důvodem vzniku inteligentních sítí.
Velkou pozornost je nutné věnovat vývoji obslužných zařízení sítí a jejich
standardizaci, ale také vlastní logice a systémům řízení sítí. Nemalou pozornost
bude vyžadovat také nastavení architektury pro komunikaci mezi jednotlivými
elementy. Podniky a domácnosti budou vyžadovat podporu při zavádění
distribuovaných zdrojů energie, které budou šetrné k životnímu prostředí, a také
úsporných opatření. S ohledem na lepší balancování dodávek energie do sítě bude
také potřeba lépe plánovat její spotřebu. Regulátoři pak budou muset zohlednit tato
omezení ze strany spotřebitele např. v nastavení nových pravidel a cen s ohledem
na čas dodávky a odběru, které budou účtovány v reálném čase. Mnohde bude také
potřeba stanovit striktnější pravidla s cílem snižování regulovaných nákladů pro
zajištění motivace stávajících operátorů sítí k úsporným opatřením, ale také připravit
pobídky pro investory, kteří budou chtít smart grid implementovat.
6.3. Nároky na Smart grids
Komunikace
Komunikace mezi sítěmi musí být spolehlivá rychlá a co nejlevnější. Měla by být
schopná získávat data a jejich vyhodnocením zajistit efektivní řízení celé sítě.
Umožnit zakomponování energii z obnovitelných zdrojů a obousměrný tok energie.
Dále usnadnit zapojení elektromobilů a jejich nabíjecích stanic. Pro přenos datového,
obrazového, hlasového a ochranného signálu by měla využívat satelitní komunikaci.
Která by zajistila co největší efektivitu správy sítí, možnost zvětšení sledované oblasti
a hlavně rychlé vyhledání a následně odstranění poruchy.
307
Komunikace přes systém dodávky energie se nabízí jako nejrychleji aplikovatelná
možnost, za předpokladu použití pro malé objemy dat. Tento systém se skládá ze tří
úrovní, které mohou být použity jako přenosné médium při realizaci Power Line
Communication (PLC) sítě.



Vysoké napětí (110-380 kV)-sítě propojující elektrárny s velkým dodávkami do
regionů nebo, se zaměřením na velké zákazníky. Obvykle pokrývají velmi
dlouhé vzdálenosti, většinou v rámci kontinentů. Bývají realizovány
nadzemními elektrickými kabely.
Střední napětí (MV) (10-30 kV)-sítě pokrývající větší plochy, města a ve
velkých průmyslových územích. Vzdálenosti jsou podstatně kratší než u
vysokonapěťových sítí. Vedení je realizováno jako u vysoko-napěťových sítí
nad zemí nebo mohou být realizovány podzemním vedením.
Nízké napětí (230/400 V, v USA 110 V)-sítě dodávající energii přímo
koncovým uživatelům nebo distribuované většími společnostmi. Jejich délka je
obvykle kolem stovek metrů. V městských oblastech jsou sítě nízkého napětí
realizovány podzemními kabely, zatímco ve venkovských oblastech, existují
jako nadzemní venkovské sítě.
Elektroinstalace v domech patří do nízko-napěťové síťové úrovně. Zařízení v domech
jsou ve většině případů vlastnictvím uživatele. Do napájecích sítí jsou pak připojeni
přes elektroměry, zde se pro aplikaci do chytrých sítí přímo nabízí využívání
inteligentních elektroměrů. Zbývající část vnější sítě patří distributorovi. Napájení sítě
umožňuje přímo připojit koncové zákazníky, a to ve velmi velkém počtu domácností
po celém světě. Proto se zdá že, aplikace technologie PLC v nízkonapěťové síti, má
perspektivu, co do počtu připojených zákazníků. Nízko-napěťové sítě mohou
zahrnovat pouze několik posledních stovek metrů mezi zákazníkem a
transformátorem a právě zde se nabízí alternativní řešení pomocí PLC technologie
pro realizaci tzv. „poslední míle“ v oblasti telekomunikačního přístupu.
IEC 61850
Jedná se o soubor norem, které specifikují nové metody komunikace a
komunikačních protokolů pro oblast energetiky a energetických soustav. Dřívější
metody a protokoly neumožňovali vytvářet komunikační systémy, které by byly
flexibilní. A stávají se nevyhovující nejen současným, ale i budoucím požadavkům
energetického průmyslu.
Naopak soubor norem IEC 61850 toto vše umožňuje a stává se tím mezinárodně
uznávaným standardem pro řízení rozvoden elektrizačních sítí.
Tento soubor určuje pravidla komunikace zařízení v rozvodnách a mezi dalšími členy
energetické soustavy. Dále obsahuje definice komunikačních protokolů a standardy
řídicích funkcí. Umožňuje také vytváření systému pro komunikaci zařízení od různých
výrobců a zajišťuje jejich vzájemnou součinnost. Jeho funkcí může každý uzel
připojený jako klient řídit provoz na síti a komunikovat se všemi servery i podřízenými
308
zařízeními. Také dovoluje sbírat provozní data od zařízení a vytvářet z nich grafy
časových průběhů pro analýzu událostí.
Pro uživatele má přínosy v podobě zjednodušení integrace zařízení v systému,
komunikace splňující požadavky automatizovaných rozvoden a možnost zjištění
přenosu dat mezi klienty a službami.
Systém IEC 61850
Tento systém, jehož součástí jsou výše zmíněné normy IEC 61850 je jedním
z nejvýznamnějších zdokonalení technologií automatizace transformoven, usnadnění
komunikace a systému jejich ochrany. V jejich případě se jedná o protokol
umožňující otevřenou komunikaci zařízení od libovolného výrobce v transformovně.
Tato komunikace probíhající v reálném čase významně zvyšuje jejich efektivitu. Dále
tento systém přispěl k nahrazení tisíců měděných vodičů, nutných pro funkci
transformoven, několika optickými kabely.
Sběr dat
U
běžných
Automatic
Meter
Reading
(AMR)
a
Automatic
Meter
Management/Advanced Metering Infrastructure (AMM/AMI) měřicích technologií,
které jsou v současné době nejčastěji využívané technologie, se obvykle odečítají
následující skupiny dat: identifikační, denní (fakturační) a stavové registry. Jejich
souhrnná velikost se pohybuje okolo 1-1,5 kB dat. V komplexnějších aplikacích
měření se odečítají i 15-ti minutové profily napětí, tj. 3-9 kB podle počtu fází měřidla.
V ČR je průměrný počet měřidel za Distribuční trafostanice (DTS) okolo 80, takže 80
kB denně zpracuje jeden koncentrátor, pakliže vezmeme v úvahu ad-hoc
komunikaci, jedná se o 120 kB dat.
Ovšem pro městské DTS je běžné 200 až 900 měřidel. Ročně je pak potřeba
zpracovat a přenést kolem 120MB dat z průměrné DTS (obousměrně) a z DTS
velkých aglomerací až 1GB dat. V následující tabulce je přehled nejčastěji
používaných komunikačních technologii a jejich základní parametry.
Komunikační technologie Modulace
Rf pásmo
Rychlost (kbit/s)
PLC 1.G
FSK
3-65KHz
0,3-1,2
PLC 2.G
BPSK, S-FSK 3-65KHz
2,4-3,6
PLC 3.G
OFDM
3-65KHz
22-128
BPL
OFDM
1,8-18MHz
1000-50000
RF 868MH
FSK
868-870MHz
1,2-152
RF 2,4GHz
OFDM
2,41-2,48GHz 1000-150000
309
RF GPRS 2.G
GMSK
880-925MHz
9,6
RF GPRS 3.G
OFDM
1,7-1,88GHz
30-3686
Tab. 6.1. Nejčastěji používané komunikační technologie

Malé objemy dat
Jedná se o přenos denních hodnot jedenkrát denně, asi 1-2 kB na měřidlo. Seřazení
podle možností přenosu dostupnými komunikačními technologiemi je pak následující:







Kvalitní úzkopásmové PLC technologie druhé generace poskytují poměrně
stabilní výsledky i na koncentrátorech s téměř 1000 měřidly.
Úzkopásmové PLC 3. generace jsou vývojově relativně nové a proto, jsou
zkušenosti z praxe omezeného rozsahu, přesto je lze považovat za další
možný směr vývoje.
Broadband PLC technologie je pro tento účel více než dostačující. Momentální
situace nasazení v oblasti chytrých měření zaručuje zrychlený vývoj vedoucí k
většímu tlaku na kvalitní podporu správy a síťového managementu.
GPRS technologie 2. i 3. generace také poskytuje dobré výsledky, a to jak v
koncentrátorech, tak i v měřidlech.
Radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz je striktně omezena výkonem a
tedy dosahem vzdálenosti. Není tedy vhodná pro instalace s nízkou územní
hustotou měřidel.
Radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz je v Evropě téměř
nepoužitelná, protože je masivně využívána pro HAN, MAN a WAN-řešení. V
ČR je ve velké míře využita i pro poskytování internetové konektivity.
Střední objemy dat
K přenosům denních hodnot jsou jednou za den přenášeny i 15-ti minutové profily
spotřeby, tedy asi 3-6 kB dat na měřidlo. Přehled komunikačních technologií je
následující:




Kvalitní úzkopásmové technologie PLC druhé generace neposkytují tak
stabilní výsledky jako v případě zpracovávání malých objemů dat. Při větším
objemu, a déletrvající komunikaci se výrazněji projevuje vliv rušení, a to i
s řadou různých opravných mechanismů. Největší omezení se projevuje na
koncentrátorech s 300 a více měřidly. Rychlost a další vlivy neumožňují
bezchybný přenos takového objemu dat do koncentrátoru.
Pro úzkopásmové PLC 3. generace platí totéž co pro malá data.
Pro broadband PLC technologie platí totéž co pro malá data.
GPRS technologie 2. i 3. generace poskytuje dobré výsledky v měřidle.
V případě koncentrátoru se pak významněji projevuje vliv negarantované
služby. Pro vetší datové soubory jsou na horších částech sítě GPRS problémy
310



se stabilitou v delším časovém úseku a tedy komplikace při přenosu větších
dat.
Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz platí totéž co pro malá data.
Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz platí totéž co pro malá data.
Velké objemy dat
K přenosům denních hodnot jsou jednou denně přenášeny 15-ti minutové profily
spotřeby i s dalšími daty, například 10ti minutové profily napětí, a tedy 10 kB a více
na měřidlo. Pro tyto velikosti platí u přenosových technologií následující:






U kvalitní úzkopásmové technologie PLC druhé generace se na velkém
objemu dat již výrazně projevuje vliv rušení, což znamená značné omezení
pro koncentrátory se 150 a více měřidly.
Úzkopásmové PLC 3. generace bude mít stejné problémy jako PLC předchozí
generace na středním objemu dat.
Pro broadband PLC technologie platí totéž co pro malá data.
GPRS technologie 2. i 3. generace má obdobné problémy jako koncentrátor
na místech se špatným stavem GPRS i na měřidle, v případě koncentrátoru
se může velmi citelně projevit vliv negarantované služby.
Radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz dosahuje v tomto případě
hranic svých limitů, podobně jako PLC.
Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz platí totéž co pro malá data.
Pokud budeme vycházet z předchozího přehledu, jeví se jako ideální přenosová
technologie GPRS technologie 2. a 3. generace. Tato technologie by měla
poskytovat dobré výsledky, jak u malých, středních, tak i velkých objemů dat. Tento
fakt je simulován teoretickou sítí v simulačním programu Opnet IT Guru Academic
Edition a výsledky jsou pak vyneseny do grafů.
Velká data a problémy se sběrem dat
V malém měřítku nejsou objemy dat až tak závratné. V pilotních projektech SG (např.
Mikroregion Vrchlabí) jsou testována chytrá měřidla v řádech tisíců kusů. Měřící
technologie AMM dává možnost získávat obrovské množství dat z různých senzorů,
aktorů a elektroměrů. Tyto data je potřeba identifikovat dle významu a určení jejich
příjemců a následně rozhodnout jakým způsobem je zpracovávat. A dále uchovávat
jen ta data, která potřebujeme. Za předpokladu zapojení všech odběratelů do
systému SG objem dat násobně vzrůstá, navíc s postupem času a zaváděním Smart
Meteringu (SM)se budou zvyšovat požadavky i na celý systém fungování SG.
Při zjednodušené představě a vybavení 80% domácností i všech ostatních
maloodběratelů a velkoodběratelů technologii AMM a použití dat Energetického
regulačního úřadu (ERÚ) z konce roku 2010, vychází 4 834 268 odběrových míst. Za
předpokladu informace o spotřebě, která má velikost 10 kB a odesílání jednou
měsíčně, za rok tedy celkem 580GB dat není mnoho. Toto je však pouze pro dálkový
odečet jednou měsíčně. Pilotní projekty ukazují (např. Smart region Vrchlabí,
311
Yokohama smart city project), že v průměru každé měřidlo generuje jednu alarmovou
zprávu či upozornění za týden. Tento typ informace zabírá jen okolo 1 kB, avšak za
celý rok může datové centrály zatížit až 256 GBdat. Při pouhém nahrazení systému
Hromadného dálkového ovládání (HDO), kdy se dvakrát denně přepíná tarif zprávou
o velikostí 1 kB, zvyšuje se objem dat až na 3,5TB ročně. Toto jsou tři různé typy dat,
které budou zatěžovat přenosové systémy ve velmi zjednodušené variantě konceptu
SG. Bude-li potřeba „online“ měření a informace spotřebiteli odesílat mnohem častěji
než jen dvakrát denně a přibudou-li další funkce (jako je např. dálková správa a
sledování aktuální spotřeby), pak obrovsky stoupne objem dat, která se budou muset
spolehlivě přenést a případně uložit.
Zde se pak projevují dva hlavní problémy. Prvním jsou používané komunikační linky,
které v současnosti neumožňují online řízení. Hlavně pak Power line comunication
(PLC), jako perspektivní se jeví Broadband over Power Line (BPL) nebo Long Term
Evolution (LTE) z dostupných telekomunikačních operátorů. Využití optických vedení
by bylo technicky ideální, ekonomicky je však nevhodné. Druhým problémem jsou
databázové systémy, které ve většině případů nejsou připraveny na rychlou práci s
velkými objemy dat. Jako slibná technologie se nabízí In memory databáze, ty
zpracovávají data ve své operační paměti a díky tomu dosahují výrazně lepších
výkonnostních parametrů

Transformovny
Transformovny jsou životně důležitá zařízení pro rozvodnou síť. Jejich součástí jsou
vybavení pro sledování, ochranu a ovládání přenosu a rozvodu elektřiny. Díky těmto
vlastnostem jsou považovány za efektivní a spolehlivé dodavatele energie. Dále
budou převádět energii z elektráren do sítě a propojovat rozvodný systém. V rámci
inteligentní sítě budou transformovny koordinovat tok elektrické energie spolu se
správou sítě a dalšími zařízeními. Také překlenou dodávku energie ze zdrojů do sítě
a propojí rozvodnou a přenosovou síť. Schopnost komunikace transformoven
s ostatními prvky sítě se velmi zvýší. Tím bude dosaženo vyšší míry soběstačnosti
sítě, která umožní spolehlivější a efektivnější zásobování energii.

Skladování energie
Skladování neboli akumulace energie je důležitým faktorem, zvláště při výrobě
energie i v době, kdy nemá žádný odběr. V tomto okamžiku přichází potřeba
akumulovat energii a uchovat ji pro akutní potřeby. Ze střídavého 3f proudu energii
akumulovat nemůžeme, možností je přeměna na energii stejnosměrnou, kterou
akumulovat můžeme.
Výjimkou, kdy není potřeba přeměna ze střídavé energie na stejnosměrnou, tvoří
generátory, rotační motory a využití akumulace tepelnou energii.
Zásobníky energie mohou být rozděleny na přímé a nepřímé. Současné prostředky
jsou schopné uchovat asi 20MW energie a to „pouze“ po dobu desítek minut. Tato
uchovaná energie vystačí zhruba pro chod deseti tisíc domácností po dobu nezbytně
312
nutnou k opravám poruch nebo připojení náhradního zdroje energie. Vize do
budoucna zvažují variantu akumulace přibližně 50MW energie po dobu jedné hodiny.
Takto naakumulovaná kapacita by se dala využít k vyrovnání kolísavé produktivity
solárních a větrných elektráren a zajištění rezervy při výpadku sítě a jejímu
restartování.
Na Aljašce ve Fairbanks pak funguje akumulátorový systém pro uchovávání energie
(BESS), který dokáže zajistit po dobu šesti minut 40MW energie nebo po dobu
patnácti minut 27MW energie.
V dopravním provozu jde o princip využití rekuperace, kdy energie vzniklá při brzdění
je ukládána do baterií a následně využívána v dalším provozu. Příkladem je
uchování energie při brzdění vlaků a následném odběru ze sítě při dalším provozu.
Dalšími metodami akumulace jsou:






Elektrická (kondenzátory, superkondenzátory)
Elektromagnetická (elektromagnetické pole kolem supravodičů)
Elektrochemická (klasické akumulátory, palivové články)
Tepelná
Mechanická
- Tlaková (akumulace stlačeného vzduchu)
- Kinetická (setrvačníky)
- Potenciální (přečerpávací vodní elektrárny)
Měřicí technologie Smart Grids
V kontextu s měřením a řízením spotřeby se vyskytují pojmy jako FACTS, HVDC,
AMR, AMM, AMI, SM a HDO. Jedná se o technologie, které vytvářejí informace pro
komunikaci mezi odběratelem a spotřebitelem. V následujícím přehledu jsou tyto
technologie stručně přiblíženy.
Flexible AC Transmission Systems (FACTS)
FACTS je zkratka pro obecné označení technologií, které zvyšují kapacitu, ochranu a
flexibilitu elektrických vedení. Důraz je kladen na zvyšující se kapacitu vedení,
maximální průchodnost energie, odstranění problémových míst s využitím solárních
a hlavně větrných elektráren. Které způsobují velké kolísání toku energie v závislosti
na povětrnostních podmínkách a přináší problémy do rozvodné soustavy.
Technologie stejnosměrného vysokého napětí (HVDC)
Technologie HVDC umožňuje přenos elektrické energie na velké vzdálenosti
s využitím méně kabelů a s menšími ztrátami, než klasickým střídavým napětím,
které jsou způsobeny nekmitavým proudem. K převodu proudu ze stejnosměrného
charakteru na střídavý a naopak je drahá záležitost. Tuto technologii se vyplatí
používat na velmi dlouhá vedení, obvykle u klasických kabelů nad 600km, u
podmořských nad 50km. Další výhodou je možnost propojení nezávislých střídavých
313
sítí. Tato možnost zvyšuje efektivitu přenosu a dokáže vyrovnávat kolísání toku
energie.
Automatic Meter Reading (AMR)
Tento systém se používá k odečítání dat odebrané energie u zákazníka. Data jsou
pak odesílána do datové centrály, kde jsou zpracována. V podstatě se jedná o
dálkové automatické odečty. Je jistá forma vylepšení klasických odečtů, kdy zde
odpadá potřeba pověřené osoby, která by manuálně provedla odečet.
Automatic Meter Management, Advanced Meter Management (AMM)
Jedná se o systémy, které dokáží informace nejen odesílat, ale i přijímat, čímž
rozšiřují možnosti AMR o další funkce, jako např. řízení cenových tarifů, dálkové
odpojení odběrného místa (ochrana před neplatiči), dálkové nastavení maximálního
vstupního příkonu (tzv. Demand Management) atd. Systém AMM by měl být schopen
nahradit kombinaci AMR a HDO (hromadné dálkové ovládání).
Advanced Metering Infrastructure (AMI)
Systém AMI by měl být rozšířením AMM o možnost řízení některých spotřebičů
odběratele na základě vyhodnocení odečtených a přijatých dat. Jedná se tedy o ještě
chytřejší systém než předchozí AMR a AMM. Jsou kladeny vysoké požadavky na
komunikaci, především v oblasti rychlosti přenosu velkých objemů dat s co
nejmenším zpožděním a téměř v reálném čase.
Systém hromadného dálkového ovládání (HDO)
HDO se skládá z technických prostředků (jako např. vysílače, přijímače, centrální
automatika, přenosové cesty) umožňujících vysílat povely nebo signály za účelem
zapínání nebo vypínání spotřebičů a přepínání tarifů.
Systém využívá pro přenos informace silová vedení, kdy je impulzní kód
superponován na základní kmitočet 50Hz. Signál je vysílán do každé fáze
z rozvoden 110/22 kV do distribuční sítě a šíří se dále přes transformátory na nízké
napětí až ke konečným spotřebitelům elektrické energie, kde dojde k povelu na
stykači. Každý distributor má zvolený kmitočet, aby se navzájem neovlivňovali.
Systém HDO se využívá k vyrovnávání spotřeby elektrické energie v rámci dne.
Dosahuje se maximálního vyrovnání mezi hospodárnou výrobou elektrické energie,
ekonomickým využitím přenosové soustavy a uspokojení odběratelů. Dále je možno
ovládat veřejné osvětlení, osvětlené výlohy, dopravní značky apod. V teplárenství
systém reguluje výměníkové stanice, aby byl provoz teplárny umožněn i za situace,
kdy zdroje nemají potřebný výkon.
Smart Metering (SM)
Tento systém je posledním článkem vývojového řetězce elektroměrů. Nabízí mimo
jiné i možnost řízení spotřebičů odběratele na základě vyhodnocení odečtených a
přijatých dat a dovoluje také plánovat spotřebu. Pokud dojde k rozšíření na větší
314
území, byl by možný předpoklad, že realizací tohoto systému se nahradí systém
HDO. Výhodou oproti AMI je možnost častějších odečtů (téměř v reálném čase).
Instalací měřidel po přenosové trase je možné odhalit netechnické ztráty a v
neposlední řadě je pak lepší rozložení zátěže.
Komunikační technologie Smart Grids
Podmínkou SG, co se týče komunikace prvků systému, je obousměrné předávání
informací. Představa je taková, že jedním směrem proudí informace o spotřebě a
požadavcích spotřebitele výrobcům, a informace o cenách elektřiny směrem ke
spotřebiteli.
Vše by mělo probíhat s co nejmenším zpožděním. Nutná bude snaha začlenit již
fungující chytré měřiče a také budoucí do určitého systému komunikace. Dosavadní
chytrá měřidla, ať už v ČR nebo EU, komunikují s nadřazeným prvkem buď kabelem
(PLC,LAN), optickým vláknem, nebo bezdrátově pomocí různých komunikačních
protokolů. Pro budoucí systém bude třeba tyto rozmanité typy komunikace přiměřeně
sjednotit tak, aby vyhodnocovací software byl schopen komunikovat s měřidly.

Přenosové technologie
V závislosti na místě instalace měřidla (ve smyslu polohy odběrového místa) by měl
být zvolen nejvýhodnější typ komunikace s nadřazeným systémem. Různé
přenosové technologie používají k přenosu informace různé prostředky. V rámci této
podkapitoly jsou popsány ty, které jsou vhodné pro koncept SM (zároveň jsou
využívány a testovány v pilotních projektech různých energetických společností v
kontextu se SM). Hlavní otázkou zůstává, zda je jednodušší a lepší pracovat jen s
jednou přenosovou technologií, či se snažit o používání specifické přenosové
technologie podle místa a možností odběru. Obě možnosti s sebou nesou výhody i
nevýhody. Z hlediska nákladového se jeví jako lepší varianta ta, která přenos
informace uskutečňuje podle specifických podmínek odběratele. Není ale vhodné
stanovovat pevné priority sloužící k volbě přenosové technologie, protože každá má
svá specifika a pro tyto specifika může být degradována jedna technologie před
ostatními.
Přehled možných technologii pro koncept Smart Meteringu:
Global System for Mobile Communication (GSM)
Jedná se o datovou síť. Vývoj této technologie se dělí do několika fází. Každá vždy
přidává nové možnosti v závislosti na vývoji standardu hlavně okolo
telekomunikačních služeb, kde je GSM celosvětově využívanou technologií pro
komunikaci.
General Packet Radio System (GPRS)
Tato technologie je rozšířením sítě GSM a umožňuje rychlejší přenos dat (teoreticky
až 171,2 kbit/s). Technologie využívá pakety a pracuje na protokolu IP (Internet
Protocol). Skutečná rychlost komunikace závisí na rozdělení do tzv. timeslotů
315
v komunikačním kanále, což je dáno směrem komunikace a zvoleným komunikačním
schématem. Stejně jako všechny zde zmíněné přenosové technologie pak svou
rychlostí plně postačuje nárokům SG, což dokazuje i simulace v programu Opnet IT
Guru.
Internet
Je to celosvětová počítačová síť, kde spolu počítače komunikují pomocí protokolů
TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Umožňuje i propojení
jednotlivých podsítí dohromady. Každá stanice (počítač popřípadě budoucí smart
meter) má svoji IP adresu, podle které je v síti identifikována. Provoz je pak
směrován pomocí směrovačů (routerů). Výhodou je v tomto případě velké
koncentrace a rozšiřitelnost míst s možností připojení k internetu, nevýhodou je pak
bezpečnost.
Power Line Communication (PLC)
Jedná se o typ přenosu využívající vedení elektrické sítě. Tato technologie byla
předurčena k vytváření lokálních sítí a připojení koncových uživatelů do sítě Internet.
Vzhledem k možnosti využití stávající sítě pro přenos informace se PLC jeví jako
ideální pro přenos informací mezi odběratelem a dodavatelem. Problémem této
komunikace je, že elektrická vedení nejsou k přenosu informací přizpůsobena.
Použití PLC se vyznačuje značným rušením především spotřebiči v síti a malým
dosahem způsobeným velkým útlumem na vedení. V posledních dvou letech byly
zavedeny standardy této komunikace, což bylo v minulosti označováno za další z
nevýhod.
Podle přenosové rychlosti a způsobu používání se tento typ komunikace označuje:




Broadband over Power Lines (BPL)
Power Line Telecom (PLT)
Power Line Networking (PLN)
Power Line Digital Subscriber Line (PDSL)
Radio Frequency (RF)
Radiofrekvenční přenos je bezdrátovou komunikací, nejčastěji provozovanou
v pásmu 433MHz nebo 868MHz. Vyžívá se, vzhledem k nepotřebě vodičů, u odečtu
vody a plynu a, vzhledem ke krátkému dosahu (stovky metrů), především
v bezdrátové komunikaci mezi měřidlem a datovým koncentrátorem.
Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX)
Jedná se o bezdrátovou technologii která se stále vyvíjí. Pracuje v licenční i
bezlicenční pásmu. V husté zástavbě má dosah do 5km, ve venkovských oblastech
pak zhruba 50 km. Tento dosah signálu je zajištěn vyšším vysílacím výkonem a
použitím všesměrových antén. WiMax poskytuje kapacitu až 75 Mbit/s, která je však
sdílená na jedné základnové stanici pro všechny uživatele. Využita může být
v přístupových sítích a metropolitní bezdrátové komunikaci.
316
6.4. Bezpečnost Smart Grids
Mezi jeden z nejdůležitějších faktorů při provozování inteligentních sítí patří
bezpečnost. Mezi zranitelná místa patří hardware, software, přírodní podmínky a
lidský faktor. Bezpečnost byla ověřována na 24 kontrolních systémech Národní
laboratoří v Idahu a výsledky nebyly uspokojivé. Oprava chyb má dlouhodobý
charakter a po opravení se objeví další odhalená chyba. Jedna z možností narušení
bezpečnosti je způsobení black-outů nebo hacknutí inteligentních měřičů.
Hrozby
Nejčastěji zranitelná místa v operačních systémech jsou chybné předpoklady
důvěryhodností, okamžik identifikace a autorizace, skryté sdílení, komunikace mezi
procesory, přerušení a simulace komunikace útočníkem a nekontrolování počtu
neúspěšných pokusů přihlášení do systému.
Útoky na systém
Mezi možnosti útoků patří snaha obcházení protokolu, prolomení zašifrovaných klíčů
a jejich následné využití pro nežádoucí účely. Propojením sítě chytrými měřicími
přístroji se ze soustavy stává počítačová síť, výrobci nemají zatím žádné zkušenosti
se zabezpečením, proto musí být této skutečnosti věnována větší pozornost. Zatím
je snaha o co nejlevnější provezení, a to na úkor bezpečnosti. Proto je nutné stanovit
určité bezpečností limity a z nich vypracovat normy aplikace moderních šifrovacích
systémů. S tím souvisí rizika jako neoprávněný odběr, fiktivní stav elektroměru,
snaha o co nejmenší spotřebu, podvodné zvyšování odběru jiným stanicím, snaha o
zničení celého systému za účelem sabotáže, která může mít právě díky propojení
celých sítí, nejen regionální, ale i globální následky, krádeže hardwaru,
neautorizované zpřístupnění informací, neoprávněné kopírování dat, znepřístupnění
služeb, popírání odpovědnosti.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
NAVRÁTILOVÁ, Jana Marie. Kombinovaný systém vytápění a ohřevu teplé
vody pro rodinný dům. Ostrava, 2010. Dostupné z: http://files.janamarie.webnode.cz/200000028-09f0f0aeb2/Diplomová%20práce%20%20Navratilova%20%20Tepelne%20cerpadlo%20a%20solarni%20system%20pro%20vytapeni%2
0a%20pripravu%20TUV.pdf. Diplomová práce. VŠB – Technická univerzita
Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky.
Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií [online].
2012 [cit. 2014-05-27]. Dostupné z: http://www.narodni-spolek.cz/
317
[3.]
[4.]
[5.]
[6.]
[7.]
Elektromobily. Energetický poradce PRE [online]. Praha 1, 2014 [cit. 2014-0527]. Dostupné z: http://www.energetickyporadce.cz/cs/uspory-energie/emobilita/elektromobily/
Elektromobily. In: Enviwiki: Enviwiki je specializovaná elektronická platforma
věnovaná problematice vzdělávání v oblasti životního prostředí a udržitelného
rozvoje. [online]. 9. 5. 2011 [cit. 2014-05-27]. Dostupné z:
http://www.enviwiki.cz/wiki/Elektromobily
Úvod do problematiky inteligentních sítí. ABB. 2014 [cit. 2014-05-27],
neuvedeno.
Dostupné
z:
http://www02.abb.com/global/czabb/czabb018.nsf/0/a5a3d03331846f55c1257
73d004a5ede/$file/Smart+grids_cz.pdf
SÚKUP, Tomáš. Chytré sítě, chytré spotřebiče a akumulace elektrické
energie.
Brno,
2010.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/12279/CHytré%20sítě.pdf?seq
uence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství, Energetický ústav.
KAPOUN, Vladislav. Smart grids - chytré síte v energetice. Brno, 2013.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/28219/hlavní%20dokument.pd
f?sequence=2&isallowed=y. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v
Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav
telekomunikací..
318
7 Oblasti úspor energií v inteligentních budovách
7.1. Inteligentní budovy
Se zvyšující se životní úrovní, komfortem, požadavky uživatelů na vybavení a
ovládání provozních funkcí budov, domů a bytů, ale i rostoucími cenami za energie,
se stále častěji setkáváme s pojmem inteligentní budova. Jedná se o budovy s
integrovaným managementem, tj. se sjednocenými systémy řízení, zabezpečení a
správy budovy. Vhodným propojením vzájemných vazeb mezi nimi lze získat velice
produktivní a nákladově efektivní systém, což umožní uživateli ovládání veškerých
běžně využívaných funkcí tak, aby užívání bylo jednoduché a intuitivní, ale přitom
efektivní, a v jeho nepřítomnosti udržuje budovu ve stavu s minimálními nároky na
energie, avšak vždy připravenou ke komfortnímu využití. Tyto systémy se vykazují
také vysokou flexibilitou a možností jednoduchého přizpůsobení se rostoucím
nárokům do budoucna.
Ke snižování energetické náročnosti nás ale nenutí jen finanční úspory, ale i vliv
výroby energií na životní prostředí. Vzhledem ke skutečnosti, že podíl budov na
celkové spotřebě energie v Evropské unii činí cca 40 %, byla vypracována směrnice
o energetické náročnosti budov.
Její poslední verzí je „Směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2010/31/EU o
energetické náročnosti budov“. Ta mimo jiné přímo předepisuje, jakou může mít
budova energetickou náročnost. Na základě první verze této směrnice (2002/91/EC)
byla v roce 2007 také schválena norma EN 15232 Energetická náročnost budov –
Vliv automatizace, řízení a správy budov. Tato norma stanovuje čtyři třídy
energetické účinnosti A÷D, přičemž hodnoty třídy C slouží jako referenční hodnoty
pro porovnání činitele účinnosti. Jestliže je budova vybavena systémem
automatizace a řízení, je zařazena do jedné z těchto tříd, viz následující tabulka.
Automatizace a řízení budov Činitel
účinnosti
– třídy účinnosti podle EN
tepelnou energii
15232
Kancelá
ř
A
B
C
D
Škola
pro Činitel účinnosti
elektrickou energii
Hotel
Kancelá
ř
Systém automatizace a
0,80
0,68
0,87
řízení budovy (BACS) s 0,70
vysokou
energetickou
účinností
a a TBM
vysoce 0,80
Pokročilý BACS
0,88
0,85
0,93
výkonný
systém
technické správy
Standardní
BACS budovy 1
1
1
1
(TBM)
BACS
bez
funkce 1,51
1,20
1,31
1,10
energetické účinnosti
Tab. 7.1. Energetický štítek budovy – EN15232
319
pro
Škola
Hotel
0,86
0,90
0,93
0,95
1
1
1,07
1,07
BACS: Building Automation and Control System = Automatizační a řídicí systém
budov
TBM: Technical Building Management = Technické zabezpečení budov
7.2. Spotřeba energií v budovách
Výstavba a vlastní provoz budovy jsou závislé na množství spotřebované energii.
Spotřeba energií v budovách roste. Snaha o její hospodárné využití a minimalizaci
energetických nároků s ohledem na vložené investiční náklady vede k potřebě
přesnějšího vyčíslení a posouzení variant řešení stavebně energetické koncepce.
Odhaduje se, že množství energie spotřebované v budovách v Evropské unii
dosahuje 40-45 % celkové spotřebované energie, z toho asi dvě třetiny energie je
využito v budovách určených k bydlení. V současnosti se poptávka po energiích v
terciárním a rezidenčním sektoru zvyšuje o 1,2 % a 1,0 % za rok. V této souvislosti je
kladen důraz na uspokojení energetických potřeb pro energeticky účinné budovy, se
zajištěním provozně technických funkcí budov, s co možná nejmenšími náklady na
spotřebovanou energii. Na obrázku je uvedeno rozvržení spotřeby energií v
komerčních objektech. Největší náklady jsou v účelových budovách vynaloženy na
osvětlení, vytápění, chlazení a ventilaci.
Obr. 7.1. Spotřeba energií v komerčních objektech
Při zjišťování stavu průměrného rozdělení roční spotřeby energií v domácnosti
v bytech panelových domů, které provedlo Teplárenské sdružení ČR, vyšla největší
spotřeba energie na vytápění 55 % a na přípravu teplé vody 24 %.
320
Obr. 7.2. Průměrné rozdělení roční spotřeby energie domácnosti v bytě. Zdroj: ČSÚ
a Teplárenské sdružení ČR (2009)
7.3. Funkce managementu energií v budovách
Jednou z nejdůležitějších úloh automatizace budov je kromě jejich automatické
regulace, řízení a kontroly provozně technických funkcí zejména energeticky úsporný
provoz. V zemích evropské unie se při projektování účelových staveb z důvodu
úspory provozních nákladů používají inteligentní řídicí funkce s využitím výkonové
automatizace.
Z hlediska účelnosti vynaložených finančních prostředků na realizaci elektroinstalace
v budově je uváděn graf závislosti celkových nákladů pořízení elektroinstalace na
výkonnosti elektroinstalace, tzn. na množství ovládaných provozně technických
funkcí v budově.
Topení / Chlazení
A
Ventilace
Klimatizace
/
Individuální řízení Řízení
jednotlivých
proudění
místností
s vzduchu
komunikací mezi v místnostech
kontroléry.
v závislosti na
Vnitřní
měření požadavcích
teploty pro řízení nebo
teploty
ve přítomnosti
osob.
vodovodní
Osvětlení
Ochrana
záření
proti
slunečnímu
Automatické
Kombinované řízení osvětlení/
řízení
denního žaluzií/topení/větrání/klimatizace
světla.
(HVAC).
Automatická
detekce
přítomnosti osob,
manuální
zap./automatické
vyp.
distribuční síti.
Nastavení
Automatická
teploty
s
Úplné vzájemné
detekce
kompenzací
blokování
přítomnosti,
teploty
manuální
mezi
řídicím dodávaného
zap./stmívání.
systémem
vzduchu.
321
vytápění
chlazení.
a Řízení vlhkosti
vstupujícího a
vystupujícího
vzduchu
v místnosti.
Automatická
detekce
přítomnosti,
automat.
zap./automatické
vyp.
Automatická
detekce
přítomnosti,
automatické
zap./stmívání.
Individuální řízení Časově
jednotlivých
závislé řízení
místností
s proudění
komunikací mezi vzduchu
v
kontroléry.
jednotlivých
Vnitřní
měření místnostech.
teploty pro řízení
teploty
ve
vodovodní
distribuční síti.
B
C
Částečné
vzájemné
blokování
mezi
řídicím systémem
vytápění
a
chlazení
(nezávisle
na
systému HVAC=
topení,
větrání,
klimatizace).
Individuální
automatické
řízení jednotlivých
místností
Nastavení
teploty
kompenzací
teploty
dodávaného
vzduchu.
Manuální řízení Motorické
ovládání
denního světla.
s automatickým řízením žaluzií.
Automatická
detekce
přítomnosti osob,
manuální
zap./automatické
s vyp.
Automatická
detekce
přítomnosti,
manuální
Řízení vlhkosti zap./stmívání.
vstupujícího a Automatická
vystupujícího
detekce
vzduchu
přítomnosti,
v místnosti.
automat.
zap./automatické
vyp.
Automatická
detekce
přítomnosti,
automatické
zap./stmívání.
Časově
závislé řízení
proudění
vzduchu
v
Manuální řízení Motorické ovládání s manuálním
denního světla.
ovládáním žaluzií.
Manuální spínač
zap./vyp.
+
322
termostatickými
ventily
nebo
elektronickým
řídicím
systémem.
Kompenzované
řízení teploty ve
vodovodní
distribuční
síti
podle
venkovní
teploty.
jednotlivých
místnostech.
Konstantní
nastavení
teploty
vzduchu.
přídavný signál
pro
rychlé
zhasnutí.
Manuální spínač
pro
zapnutí/vypnutí.
Omezení
vlhkosti
vstupujícího
vzduchu.
Částečné
vzájemné
blokování
mezi
systémy
řízení
topení/chlazení
(závislé
na
systému HVAC).
Žádné
automatické
řízení.
D
Žádné řízení
proudění
vzduchu
v
Žádné
řízení jednotlivých
teploty
vody místnostech.
v distribuční síti.
Žádné řízení
Žádné vzájemné teploty
blokování
mezi vstupujícího
systémem řízení vzduchu.
Manuální řízení Manuální ovládání žaluzií.
denního světla.
Manuální spínač
pro
zapnutí/vypnutí +
přídavný signál
pro
rychlé
zhasnutí.
Manuální spínač
vytápění/chlazení. Žádné řízení pro
vlhkosti
zapnutí/vypnutí.
vzduchu.
Tab. 7.2. Seznam funkcí a přiřazení do tříd energetické účinnosti
323
Obr. 7.3. Závislost ceny na výkonnosti elektroinstalace
Přesněji je tato závislost znázorněna na výše uvedeném obrázku, kde je provedeno
porovnání investičních nákladů při použití klasické instalace a sběrnicové instalace
KNX v závislosti na přidaných provozně technických funkcích.
V rozsáhlých projektech komfortně vybavených bytových i nebytových objektů nelze
od sebe oddělovat tzv. silovou instalaci a oblast měření a regulace. Ve sběrnicových
elektroinstalacích, např. KNX jde o společný řídicí systém, který řídí spotřebu nejen
elektrické, ale i tepelné energie. Navíc ji dokáže optimalizovat tím, že zabraňuje
zbytečné spotřebě, takže dochází ke skutečně výrazným úsporám spotřebních
nákladů. Při plném použití instalace KNX pro řízení provozně technických funkcí lze
dosáhnout i 40% úspory provozních nákladů ve srovnání s přibližně stejně
vybavenou klasickou instalací. Jako důvod této úspory se uvádí především
schopnost systémové elektrické instalace „komunikovat“ mezi všemi jejími prvky
nebo dílčími podsystémy s možností vytvářet libovolné vzájemné vazby mezi
provozně technickými funkcemi a dále snadná realizace dodatečných změn
s následným ovládáním nově přidaných provozně technických funkcí.
324
Obr. 7.4. Porovnání investičních nákladů při použití klasické elektrické instalace a
sběrnicové instalace KNX
Snižování nákladů na realizaci systémové instalace lze uskutečnit rovněž v oblasti
montáže instalace. Projevuje se zde snaha o snížení pracnosti montáže a současně
zvýšení spolehlivosti systému používáním specializovaných přístrojů.
Finanční náklady, které jsou vynaloženy od začátku do konce výstavby budovy, se
označují jako celkové investiční náklady výstavby. Náklady na automatizační
techniku, využívanou pro automatickou regulaci a kontrolu přístroje vytápění,
klimatizace a činí 1,0 až 1,5 % celkových investičních nákladů. Jestliže
mnohopodlažní budova kanceláří má pořizovací cenu například 50 miliónů euro,
potom podíl sběrnicové techniky bude asi 625 000 euro. Roční provozní náklady na
spotřebovanou energii, které je možné technicky ovlivnit, představují podle rozsahu
vybavení na jednu budovu 2,0 % až 4,0 % z původní ceny na výstavbu.
325
Obr. 7.5. Porovnání přídavných investičních nákladů a úspor provozních nákladů při
použití sběrnicové instalace
Při provozních nákladech na spotřebovanou energii 4,0% potom tyto náklady
představují částku asi 2 miliónů euro za rok. Možnosti potenciálu úspory energií
nasazením automatizace se podle konzervativních odhadů dají vyčíslit podílem 10%
z celkových provozních nákladů. Z této úvahy vyplývá, že je možné uspořit při použití
systémové techniky budov částku 150 000 euro ročně pro uvedený příklad. To
znamená, že návratnost investice do sběrnicových systémů budov činí přibližně 4
roky. Za dvacet let činí úspory na provozních nákladech celkem 3 000 000 euro.
Navíc k energetickým úsporám přistupuje optimalizace potřeby pracovních sil
provozního personálu.
Detailní porovnání ročních provozních nákladů při použití klasické elektrické
instalace a sběrnicové instalace KNX s přidáváním provozně technických funkcí je na
obrázku níže uvedeném.
326
Obr. 7.6. Porovnání ročních provozních nákladů při použití klasické elektrické
instalace a sběrnicové instalace KNX
Funkce managementu energií v automatizační rovině
Velmi často mohou být programy pro optimalizaci spotřeby energií zabudovány
přímo do jednotlivých zařízení. V případě, kdy není potřeba pravidelně nastavovat a
seřizovat jednotlivá zařízení, jsou požadované funkce pro ovládání provozně
technických funkcí v budově naprogramovány přímo do vestavěných DDC modulů
(Direct Digital Control – řídicí jednotka). V další části jsou uvedeny příklady
„napevno“ vestavěných programů, které mohou pracovat bez zásahů až do doby,
kdy si stavební úpravy vyžádají zásadní změnu:

Regulace entalpie
Regulace entalpie se realizuje pro optimální nastavení klapek přiváděného a
odváděného vzduchu v součinnosti s požadavky na HVAC (Heating, Ventilating and
Air Conditioning – vytápění, větrání a klimatizace) s ohledem na vynaložené náklady
na spotřebovanou energii. Pro optimální regulaci ventilátorů s možností úspory
energií je možné použít střídavý regulovaný pohon - frekvenční měnič.

Adaptivní regulace
Často uváděným příkladem adaptivního principu je ekvitermní regulace teploty
přívodu topného okruhu. Snímač, který snímá venkovní teplotu podle požadované
referenční hodnoty, je použit jako regulátor vytápění.

Spínání spotřebičů a osvětlení
U této aplikace lze uvést příklady připojení spotřebičů na základě řízení závislých
událostí (přítomnost osob v místnosti, hlášení příchodu, popř. stav rezervací u pokojů
v hotelu od pultu recepce).
327
Obr. 7.7. Spotřeba energie pro různé způsoby regulace ventilátorů při větrání a
klimatizaci

Spínání optimalizované v čase
Tato funkce (tzv. „klouzavé spínání“) představuje především zdokonalené časově
závislé spínání na manažerské úrovni. Při optimalizovaném spínání se povely na
sepnutí vydávají podle výpočtu nejpozději možných sepnutí a nejdříve přípustných
vypnutí příslušného zařízení. Příkladem může být volba optimalizační adaptibilní
automatické funkce, která ovládá tepelné vlastnosti budovy volbou startovacích a
vypínacích časů na základě měření venkovní a vnitřní teploty.
Obr. 7.8. Spínání optimalizované v čase na příkladu ústředního topení (funkce
managementu energií)
Noční chladicí provoz
Tato funkce se využívá za horkých letních měsíců. Smyslem této funkce je „nasát“
chladný noční venkovní vzduch do budovy. Když venkovní teplota klesne pod úroveň
teploty v místnostech, tak se sepnou všechna větrací zařízení, která pracují s plným
328
podílem venkovního vzduchu. Hmota budovy a prostory jejich místností se používají
jako chladící média.
Regulace pásem nulové spotřeby energie
je využívána u místností budov pro veřejnost, jako jsou divadelní sály, sály kin nebo
prostory nákupních středisek. Energetických úspor se dosahuje vytvořením
regulačního teplotního pásma, kdy se netopí ani nechladí, pouze se nastavením
klapek reguluje oběh vzduchu, zejména přísun venkovního vzduchu. Tím se ušetří
energie a její spotřeba poklesne k nule. Nevýhodou této funkce je, že v případě
poměrně špatných regulačních prostředků není možno přesně nastavit teplotu na
stanovenou referenční hodnotu.
Obr. 7.9. Regulační pásmo nulové spotřeby energie (Funkce managementu energie)
Cyklické spínání
které se vyznačuje špatnými regulačními kvalitami, nabízí však značné úspory u
předimenzovaných zařízení.
Obr. 7.10. Cyklické spínání (Funkce managementu energie)

Funkce managementu energií na manažerské úrovni
Jestliže je nutné programy řízení provozu budovy z časového, nebo technologického
hlediska neustále přizpůsobovat a vylaďovat, potom je vhodné funkce managementu
energií (Energy Management) převést na počítač. Ten potom poskytuje obsluze větší
komfort a širší nabídku řešení v následujících funkcích:
329
Energetický controlling
V mnoha budovách se náklady na spotřebovanou energii nezaznamenávají ani
neúčtují. Úspor lze dosáhnout zavedením spotřebitelsky orientovaného rozvržení
nákladů energií. Příkladem může být vybavení budov digitálními měřiči –
elektroměry, vodoměry, plynoměry s přehledem spotřeby i nákladů. Připojení
počítače do systému automatizace s obchodním zúčtovacím systémem umožňuje
automatické vyúčtování a vystavení dokladu o jednotlivých položkách. Často se
osvědčuje pouhá vizualizace spotřebovaných energií, která zajistí motivaci
zaměstnanců k úspoře energií.
Tab. 7.3. Energetický controlling (Funkce managementu energie)
Omezení maxim zátěže
Další funkcí managementu energií je funkce omezení maxim zátěže. Dochází zde
k odpočtu hodnoty spotřeby elektrické energie v průběhu čtvrthodiny a určuje
průměrný odebíraný výkon za tento časový úsek. Na základě měření dochází
k prognóze výpočtu spotřeby elektrické energie. Pokud se počítá s tím, že bude
překročena smluvně stanovení hodnota, potom zasáhne program a spotřebitele
odpojí. Pomocí této funkce se odstraní nedoplatky poskytovateli elektrické energie.
Nabízí však i možnost průběžného sledování průměrné spotřeby a tím i její snížení
v důsledku optimalizace vnitropodnikového průběhu výroby.
Časově ovládané spínání
K funkcím managementu energií patří rovněž časově ovládané spínání provozně
technických funkcí. Potenciál úspor se vytváří tím, že se provozní doby zařízení
přizpůsobí skutečným časovým úsekům jejich využití. Je například snadné sladit
ranní příjezd personálu budovy na parkoviště s časovým programem řízení osvětlení,
závislým na východu slunce. Také u soukromých domácností lze tuto funkci použít
pro regulaci vytápění v noci na temperování místnosti. V účelových stavbách jsou
330
tyto funkce běžně napojeny na řídicí počítač, jehož prostřednictvím se provádějí
krátkodobé změny a vyladění.

Funkce řízení prostředí a managementu energií v budovách
Současný rozvoj automatizace budov se projevuje stále častějším uplatněním při
výstavbě budov v průmyslovém, rezidenčním i terciálním sektoru.
Z hlediska úspor energií hraje významnou roli vzájemná provázanost jednotlivých
okruhů provozně technických funkcí v budovách. V následujícím přehledu jsou
popsány příklady provozně technických funkcí se vzájemnými vazbami podle
jednotlivých druhů technického zařízení a vybavenosti :
Vytápění, chlazení, větrání (HVAC)
Požadované jmenovité hodnoty pokojové teploty se nastavují v závislosti na
přítomnosti a počtu osob monitorováním přítomnosti nebo snímačem přítomnosti.
Hodnoty teploty v hotelových pokojích lze vyladit na požadovanou hodnotu
v závislosti na jejich využití a na vazbě se systémem rezervací. Jestliže se
v místnosti otevřou okna nebo dveře, vypínají se funkce vytápění nebo chlazení.
Větrání se provádí v závislosti na kvalitě vzduchu v místnosti.
Řízení osvětlení
Ovládání osvětlení lze provádět manuálně ovladačem nebo pomocí snímače
přítomnosti osob. Nastavení osvětlení například v hotelových pokojích lze realizovat
podle způsobu použití a ve vazbě na systém rezervací. Konstantní osvětlení lze
v místnosti ovládat pomocí snímače jasu. Osvětlení v místnosti lze regulovat podle
jasu venkovního prostředí. Rozptýlené světlo v obytných prostorách lze regulovat
nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu.
Zastínění a žaluzie
Zastínění místnosti před sluncem pomocí žaluzií lze ovládat pomocí časově
nastavitelného zastínění místností. Regulaci rozptýleného světla lze provádět
nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu. Používá se zde nastavení
letního režimu proti přehřívání místnosti a zimního režimu k maximalizaci doby
přímého slunečního svitu. Při nárazech větru se žaluzie automaticky svinou.

Udržitelný rozvoj, příklady aplikací
Na úsporu energií v budovách a tím i na udržitelný rozvoj v oblasti výstavby budov je
možné se podívat také z pohledu architektů, kteří řeší návrh, účel a konstrukci
budov. Pro dokreslení pohledu architekta na úsporu energií v budovách je zde použit
citát architekta Jana Kaplického z roku 2001:
„Hlavními aspekty pro trvale udržitelný design je výběr materiálů a provozní
náročnost budovy, když je postavena. Budova musí být soběstačná z 80% nebo více
i v oblasti spotřeby energií. Dnes je například možné prodávat energii zpět do
elektrické rozvodné sítě. Z hlediska dlouhodobých termínů je obtížné to vyčíslit.
331
Dosud neexistuje žádný způsob přesného měření. Úspora energií musí být
zohledněna při konstrukci budovy a před tím také při výrobě materiálů. To také
znamená, na úsporu energií a ekologii má vliv i stanovením množství a hmotnosti
materiálů při výstavbě budov. To vede rovněž k menší spotřebě energií a prostředků
při výrobě stavebních materiálů, tím pádem i k úspoře energií při výstavbě budov“.
V současnosti se realizují výzkumy v oblasti úspory energií v inteligentních
budovách. Univerzita aplikovaných přírodních věd v Biberach, Institut pro energetické
systémy ve stavbách, specializující se na automatizace v budovách uskutečnil v roce
2008 výzkum na téma „jaký je potenciál energetických úspor při použití moderních
elektrických instalací“. Byla prokázána vysoká energetická účinnost ve stavbách se
systémovou instalací. Mohou být sice rozdílné výsledky úspory energií u různých
staveb, ale základní trend byl potvrzen:

při použití inteligentní elektroinstalace dochází jednoznačně k úspoře
energií oproti konvenčním technologiím,

úroveň potenciálu úspor velice závisí na parametrech stavby a jejím tvaru,

maximum energetických úspor je dosaženo při využití kombinací
automatizovaných provozně technických funkcí,

úspory jsou v podstatě vždy ve dvouciferných procentních hodnotách,

investice do inteligentního řízení budovy je obecně nižší než konstrukční
úpravy budovy,

návratnost investice je poměrně krátká a zpravidla se pohybuje do 5 let.
Dále jsou uvedeny příklady aplikace sběrnicového systému KNX s následnou
úsporou energií:

Při rekonstrukci střední školy Vorarlberg, Bezau v Rakousku došlo realizací
zateplení pláště budovy a použitím sběrnicové techniky ke zmenšení
spotřeby energie ze 160 na 25 kWh. Pomocí sběrnicového systému je zde
ovládáno osvětlení podle přítomnosti, denního světla a časového
programu, tepelná energie se šetří díky regulaci v jednotlivých
místnostech, v závislosti na čase a pomocí vizualizace, je zde řešeno
řízení automatického zastínění, všechny místnosti a stavy jsou
vizualizované. Není zde však vyčíslen přesný podíl systémové techniky
budov na celkové úspoře energií.

V centru ABB v Odense v Dánsku bylo uspořeno za jeden rok provozu ve
velkoplošných kancelářích 13% energií použitím sběrnicové techniky.
Stavba má tři podlaží a 123 místností. Je zde automaticky řízeno topení a
chlazení v závislosti na přítomnosti a programovém řízení, velký důraz byl
kladen na ovládání osvětlení na konstantní osvětlenost.
332
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
TAVLARIDU, Eliška. Ekonomické zhodnocení investice do energeticky
úsporného opatření využívajícího tepelné čerpadlo. Olomouc, 2013. Dostupné
z: http://theses.cz/id/w3tatl/2013_M10257_Tavlaridu.pdf. Bakalářská práce.
MORAVSKÁ VYSOKÁ ŠKOLA OLOMOUC, Ústav managementu a
marketingu.
SÚKUP, Tomáš. Chytré sítě, chytré spotřebiče a akumulace elektrické
energie.
Brno,
2010.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/12279/CHytré%20sítě.pdf?seq
uence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství, Energetický ústav.
KAPOUN, Vladislav. Smart grids - chytré síte v energetice. Brno, 2013.
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/28219/hlavní%20dokument.pd
f?sequence=2&isallowed=y. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v
Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav
telekomunikací.
VAŇUŠ, Jan. VŠB, TU Ostrava, FEI, KAT 450, Řízení provozu budov.
SBĚRNICOVÝ
SYSTÉM
KNX.
2013,
43
s.
Dostupné
z:
http://rc111.vsb.cz/rpb/materials/s3.pdf
333
8 Způsob sériové komunikace se zařízeními
Aplikace spadající do této kategorie mají jediný úkol a to zobrazovat odchozí
a příchozí data přes sériovou linku RS-232. Většina takových aplikací se liší pouze
počtem implementovaných funkcí a vzhledem či uspořádáním jejich GUI.
Všechny aplikace umožňují nastavit sériový port, tzn. jméno sériového zařízení, které
bude použito pro příjem/vysílání dat, rychlost komunikace, počet přenášených
datových bitů, počet stop bitů, paritu nebo také druh řízení portu (softwarové,
hardwarové nebo žádné). Mezi často implementované funkce může být zmíněn
převod přijatých dat do hexadecimálního tvaru, logování přijatých případně
i vysílaných dat nebo volba znaku/ů pro identifikaci konce řádku v přijatých datech.

Známé sériové terminály
Windows platforma
 HyperTerminal - standardně dostupný ve Windows (do verze Windows XP).
 Hercules Setup Utility - oblíbená volně šiřitelná aplikace firmy HW Group. Je
komplexnější (obsahuje i TCP klient/server a umožňuje komunikovat i přes
UDP protokol) a jednou z funkcí této aplikace je sériový terminál.
 Terminal - velice jednoduchý terminálový program.
Obr. 8.1. Ukázka aplikace Hercules Setup Utility
Linux platforma
 CuteCom - GUI terminál pro komunikaci po sériové lince, používá knihovny
Qt.
 moserial - další GUI terminál, používá ale pro GUI knihovny GTK+.
 GtkTerm - jednoduchý terminál pro sériový port, také využívá knihovny GTK+.
334

microcom a minicom - velice oblíbené jsou tyto dva sériové terminály z oblasti
příkazové řádky.
Obr. 8.2. Ukázka aplikace CuteCom
V linuxových systémech lze příjem a vysílání uskutečnit přímo z příkazové řádky bez
dalších speciálních aplikací. Jen je nutné dávat pozor na to jak je sériový port
nastaven (komunikační rychlost, parita, počet datových bitů, apod.). Pro nastavení
parametrů sériového portu existuje několik aplikací, mezi nejpoužívanější patří tyto –
setserial a stty. Vysílání lze pak provést jednoduše pomocí přesměrování:
echo “vysílaná data“ > /dev/ttyS1
Příjem dat lze provádět opět standardním linuxovým příkazem, výpis přijatých dat je
zobrazen klasicky v terminálu:
cat /dev/ttyS1
Mezi multiplatformní sériové terminály pak lze zmínit aplikaci PuTTY, která umožňuje
kromě připojení se k sériovému portu i připojení přes FTP nebo SSH. Velice
zajímavý a dostupný pro nejpoužívanější platformy (Windows, Mac, Linux) je
CoolTerm. Sériový terminál CoolTerm má přehledně zpracované uživatelské
rozhraní.
335
Obr. 8.3. Ukázka aplikace CoolTerm
Nejčastěji se terminály používají pro ladění sériové komunikace, jednorázového
vyčtení hodnot/nastavení zařízení, dalším způsob využití je pro nastavení vzdálených
zařízení (modemy, routery, vestavěné systémy apod.). Tento způsob se dá využít
například i pro vzdálené připojení k Linuxovým systémům s povoleným
přihlašováním přes sériový port, kdy jsou veškeré výpisy kernelu (i během procesu
bootování systému) přesměrovávány na sériový port. Dnes tento způsob vytlačuje
vzdálené připojení pomocí stále oblíbenějšího ssh přes ethernet či Wifi.
Označení sériového portu v různých OS
V operačním systému Windows jsou označeny sériové porty jako COM1. Kde číslo
označuje číslo použitého sériového portu. Pokud by byl použit USB převodník na
sériový port, ovladač zpřístupní tento sériový port jako virtuální sériový port či USB
sériový port. Identifikace pro běžného uživatele pak probíhá přes aplikaci Správce
zařízení, který je ve Windows dostupný přes Ovládací panely. Na obrázku níže je
vidět, že standardní sériový port má označení COM1, zatímco USB sériový port je
označen např. jako COM9.

336
Obr. 8.4. Identifikace USB sériového portu ve Windows
V Linuxových (i Unixových) systémech je sériový port označen naprosto odlišně něž
v systémech s Windows. Veškeré zařízení jsou v Linuxu dostupné v adresáři /dev.
Sériové porty jsou tudíž také dostupné přes tento adresář. Sériové porty jsou
dostupné pod touto cestou /dev/ttyS0, kde číslo opět označuje číslo používaného
sériového portu. USB převodníky na sériovou linku jsou obvykle dostupné jako
/dev/ttyUSB0. U označování sériových portů v Linuxu existují i výjimky například v
zařízení Raspberry Pi je port označen jako /dev/ttyAMA0.
8.1. .NET Framework a Mono – použití sériového portu
.NET Framework je název zastřešující celou platformu kterou vyvinula společnost
Microsoft. Součástí Frameworku je prostředí potřebné pro běh aplikací, které nabízí
rozhraní pro spouštění aplikací a balík potřebných knihoven. Tím že jsou dostupné
knihovny s jednotným rozhraním, je jednodušší přenášet aplikace mezi systémy
(klasický desktop, mobil, apod.)
Projekt Mono je důležité zmínit, protože tato kapitola se zabývá i použitím sériového
portu pod platformou Mono. Nyní je projekt veden firmou Novell (dříve firmou Ximian)
a zjednodušeně lze říci že se jedná o verzi .NET Frameworku pro Unixové operační
systémy. Mono totiž implementuje .NET Framework pro operační systémy Unixového
typu (Linux, *BSD, Mac OS, Solaris, apod.). Platforma Mono může samozřejmě
běžet i pod operačním systémem Windows. Ne všechny části .NET Frameworku jsou
ale implementovány do Mona a právě i tyto odlišnosti zde budou zmíněny.
Tato kapitola předpokládá alespoň základní znalost jazyka C# a knihoven .NET
Framework, jelikož zde budou uváděny i příklady (části kódů). Kapitola se zabývá
částí knihoven .NET Framework – jedná se o jmenný prostor System.IO.Ports, který
obsahuje třídy právě pro kontrolu sériového portu. Jmenný prostor System.IO.Ports
byl poprvé přidán do .NET Frameworku 2.0.
Třídy jmenného prostoru System.IO.Ports
Jmenný prostor System.IO.Ports obsahuje důležité třídy pro ovládání sériového
portu. Nejdůležitější třída SerialPort poskytuje sadu metod a vlastností pro přístup k
sériovému portu, jeho řízení, nastavení apod.. Zde je seznam tříd spadajících pod
jmenný prostor zmíněný výše:

•
•
•
SerialDataReceivedEventArgs – poskytnutí dat pro událost DataReceived.
SerialErrorReceivedEventArgs – poskytnutí dat pro událost ErrorReceived.
SerialPinChangedEventArgs – poskytnutí dat pro událost PinChanged.
337
•
SerialPort – nejdůležitější třída, reprezentující sériový port, která obsahuje
vlastnosti, metody a události. Vlastnosti této třídy jsou důležité pro nastavení
sériového portu a metody a události pro jeho ovládání (čtení/zápis).
Delegáti jmenného prostoru System.IO.Ports
Při vytváření delegáta, je potřeba určit metodu, která bude událost zpracovávat. Pro
přiřazení události k její obslužné rutině, je potřeba přidat instanci delegáta události.
Obslužné rutiny se pak volají vždy když událost vznikne, pokud není delegát
odstraněn.

•
SerialDataReceivedEventHandler – reprezentuje metodu, která
zpracovávat událost DataReceived objektu SerialPort.
•
SerialErrorReceivedEventHandler – reprezentuje metodu, která
zpracovávat událost ErrorReceived objektu SerialPort.
•
SerialPinChangedEventHandler – reprezentuje metodu, která
zpracovávat událost PinChanged objektu SerialPort.
bude
bude
bude
Výčtové typy jmenného prostoru System.IO.Ports
Níže uvedené výčtové typy jsou používány pro nastavení sériového portu, tedy třídou
SerialPort.

•
Handshake – specifikace ovládacího protokolu použitého při navázání
komunikace po sériovém portu, specifikuje typ potvrzení a zahájení přenosu na
úrovni hardwarového nebo softwarového rozhraní. Dostupné jsou tyto:
•
Handshake.None,
•
Handshake.RequestToSend,
•
Handshake.RequestToSendXOnXOff,
•
Handshake.XOnXOff.
•
Parity – stanovuje počet paritních bitů. Dostupné jsou tyto:
•
Parity.Even,
•
Parity.Mark,
•
Parity.None,
•
Parity.Odd,
•
Parity.Space.
•
SerialData – specifikuje typ dat, který byl přijat na sériovém portu. Dostupné
jsou tyto:
•
SerialData.Chars,
•
SerialData.Eof.
•
SerialError – specifikuje typy chyb, které mohou nastat na sériovém portu.
Dostupné jsou tyto:
•
SerialError.Frame,
•
SerialError.Overrun,
•
SerialError.RXOver,
•
SerialError.RXParity,
•
SerialError.TXFull.
•
SerialPinChange – stanovuje typ změny na sériovém portu. Dostupné jsou
tyto:
•
SerialPinChange.Break,
•
SerialPinChange.CDChanged,
338
•
SerialPinChange.CtsChanged,
•
SerialPinChange.DsrChanged,
•
SerialPinChange.Ring.
•
StopBits – stanovuje počet stop bitů. Dostupné jsou tyto:
•
StopBits.None
(hodnota
není
podporována,
ArgumentOutOfRangeException),
•
StopBits.One,
•
StopBits.OnePointFive,
•
StopBits.Two.
nastane
výjimka
Třída SerialPort
Jak již bylo zmíněno výše, toto je nejdůležitější třída jmenného prostoru
System.IO.Ports. Pomocí objektu vytvořeného z této třídy je možné ovládat sériový
port, nastavit jej či přijímat/vysílat data.

Ošetření výjimek
Některé přetížené konstruktory, vlastnosti nebo metody mohou skončit výjimkou,
kterou je potřeba ošetřit.

// vytvoření nové instance
SerialPort sp = new SeriaPort(“/dev/ttyUSB0“);
// nastavení časové prodlevy pro čtení z portu
sp.ReadTimeout = 500;
// otevření sériového portu
sp.Open();
try {
// pokus o čtení ze sériového portu
string precteno = sp.ReadLine();
Console.WriteLine(“Toto bylo přečteno: “ + precteno);
} catch (TimeoutException ex) {
// ošetření výjimky, která nastane při překročení ReadTimeout
Console.WriteLine(“Nebylo nic přečteno\n“);
// výpis systémového hlášení
Console.WriteLine(ex.ToString());
}
// zavření sériového portu
sp.Close();
Použití konstruktoru
Třída SerialPort obsahuje kromě základního konstruktoru i další konstruktory
s přetížením. Je tedy možné vytvořit objekt typu SerialPort bez nastavení, tedy s výchozím
nastavením sériového portu. Použitím jiného přetíženého konstruktoru je možno nastavit
sériový port přímo při vytváření či inicializaci objektu, viz příklad níže.
339
// vytvoření objektu s výchozím nastavením
SerialPort _serialPort1 = new SerialPort();
// nastavení jména sériového portu
_serialPort1.Name = “COM1“;
// vytvoření instance třídy s nastavením zadaným přímo do konstruktoru
// je nastaveno jméno sériového portu, rychlost přenosu a parita
SerialPort _serial2 = new SerialPort(“/dev/ttyS1“, 9600, Parity.None);
Další konstruktory umožňují nastavit při inicializaci objektu ještě počet datových bitů
a počet stop bitů.
Při použití konstruktoru s parametry (jméno portu, rychlost, parita apod.), může
nastat při zadání nesprávného parametru výjimka, kterou je potřeba ošetřit. U
konstruktoru se jedná o vyjímku IOException, která udává stav, že daný či zadaný
port nemohl být nalezen nebo otevřen.
Důležité vlastnosti třídy SerialPort
Vlastnostmi lze ovlivnit nastavení sériového portu, který bude využíván. Některé
nejdůležitější vlastnosti jsou popsány níže. Existují dva druhy vlastností, ty které jsou
pouze pro čtení – read-only (nelze je nastavovat, lze z nich pouze číst či získat
hodnotu), a ty které jsou tzv. read/write (lze z nich hodnotu přečíst a lze i hodnotu
zapsat a tím ovlivnit právě nastavení např. sériového portu). Mohou existovat
i vlastnosti třídy do kterých lze pouze zapisovat, ale v praxi se využívají vlastnosti
buď read-only nebo read/write. Vlastnosti read/write mají oproti write-only
vlastnostem tu výhodu, že lze i získat jak je tato vlastnost nastavena, tedy jakou má
hodnotu.
SerialPort.BaudRate – vlastnost určuje komunikační rychlost sériového portu a je
typu System.Int32. Rychlost lze nastavit nebo lze získat hodnotu rychlosti, na kterou
je rychlost portu nastavena. Výchozí hodnota je 9600 bitů za sekundu. Mohou nastat
dvě
výjimky
ArgumentOutOfRangeException
nebo
IOException.
ArgumetnOutOfRangeException nastane pokud bude hodnota nastavované
komunikační rychlosti menší nebo rovna nule případně větší než maximální povolená
rychlost daného zařízení. Výjimka IOException může nastat je-li port v neplatném
stavu např. parametr předávaný pomocí konstruktoru je neplatný.
SerialPort.BytesToRead – vlastnost pouze pro čtení a je typu System.Int32.
Reprezentuje počet bytů v přijímací vyrovnávací paměti. Výjimka IOException
nastane pokud je port v neplatném stavu. InvalidOperationException sériový port je
uzavřen (nebyla volána metoda Open nebo byla volána metoda Close) a přesto
zjišťujeme hodnotu této vlastnosti.
SerialPort.BytesToWrite – vlastnost pouze pro čtení a je typu System.Int32.
Reprezentuje počet bytů ve vysílacím bufferu. Výjimka IOException nastane pokud je
port v neplatném stavu. InvalidOperationException sériový port je uzavřen (nebyla
volána metoda Open nebo byla volána metoda Close) a přesto zjišťujeme hodnotu
této vlastnosti.
SerialPort.DataBits – hodnotu lze nastavit i přečíst a je typu System.Int32.
Reprezentuje počet bitů přenášených v jednom rámci po sériovém portu. Lze

340
nastavit hodnotu od 5 do 8. Výchozí hodnota je nastavena na 8 datových bitů.
Výjimka IOException nastane je-li port v neplatném stavu. Výjimka
ArgumentOutOfRangeException nastane pokud je nastavena hodnota počtu
datových bitů na méně než 5 nebo více než 8.
SerialPort.Encoding – vlastnost je read/write a je typu System.Text.Encoding (pro
připomenutí, kódování je dostupné v jiném jmenném prostoru – System.Text, při
použití je pak použito System.Text.Encoding.UTF8Encoding nebo je jmenný prostor
přidán do seznamu používaných jmenných prostorů using System.Text;). Určuje
kódování bytu pro převod a další zpracování. Vlastnost má jako výchozí hodnotu
nastaveno kódování Encoding.ASCIIEncoding. Výjimka ArgumentNullException
nastává když byla hodnota nastavena jako null. Výjimka ArgumentException nastane
pokud tato vlastnost nebyla nastavena na nějakou z těchto hodnot: ASCIIEncoding,
UTF8Encoding, UTF32Encoding, UnicodeEncoding, některé z jedno-bytových
Windows kódování nebo některé z dvou-bytových Windows kódování.
SerialPort.Handshake – vlastnost je read/write a je typu System.IO.Port.Handshake.
Pro nastavení nebo získání hodnoty reprezentující handshaking protokol pro přenos
dat po sériové lince. Výchozí hodnota je nastavena jako Handshake.None (více
možností viz Výčtové typy jmenného prostoru System.IO.Ports). Není-li port
v platném stavu nastane výjimka IOException. ArgumentOutOfRangeException
nastane, není-li hodnota nastavena na některou z těchto hodnot (výčtový typ
Handshake)
Handshake.None,
Handshake.RequestToSend,
Handshake.RequestToSendXOnXOff a Handshake.XOnXOff.
SerialPort.IsOpen – vlastnost je read-only a typu System.Boolean. Indikuje stav
sériového portu – otevřen nebo zavřen. Hodnoty true říká, že sériový port je otevřen,
hodnota false pak , že je uzavřen. Jako výchozí je hodnota nastavena na false.
SerialPort.NewLine – vlastnost je určena pro čtení i zápis a je typu System.String.
Reprezentuje hodnotu použitou jako konec řádku a ukončuje volání metody
ReadLine a WriteLine. Jako výchozí hodnota je nastaveno LF (line feed). Mohou
nastat dvě výjimky: ArgumentException nebo ArgumentNullException. Výjimka
ArgumentException nastane, je-li hodnota vlastnosti nastavena jako prázdná.
Výjimka ArgumentNullException nastane když byla hodnota nastavena jako null.
SerialPort.Parity – vlastnost je read/write a je typu System.IO.Ports.Parity. Určuje
použitou paritu při přenosu dat. Jako výchozí hodnota je nastaveno Parity.None.
Může nastat výjimka IOException, je-li port v neplatném stavu. Dále může nastat
výjimka ArgumentOutOfRangeException, pokud je hodnota nastavenou na jinou
hodnotu než povoluje výčtový typ Parity. Tyto hodnoty jsou povoleny: Parity.Even,
Parity.Mark, Parity.None, Parity.Odd a Parity.Space.
SerialPort.PortName – vlastnost je určena jak pro čtení tak pro zápis. Vlastnost je
typu System.String. Určuje jméno komunikačního portu. Výchozí hodnota je COM1.
U této vlastnosti mohou nastat tři výjimky. První výjimka ArgumentException nastane,
když byla nastavena hodnota s nulovou délkou nebo jméno portu začíná znaky “\\“
anebo jméno prostě není platné. Další výjimkou, která může nastat je
ArgumentNullException a to když bylo jméno nastaveno na hodnotu null. Výjimka
InvalidOperationException nastane je-li měněn název portu, ale ten je otevřen pro
komunikaci. Pro zjištění všech dostupných sériových portů je určena níže popsaná
metoda SerialPort.GetPortNames(). Všimněme si rozdílného zápisu jména sériového
portu v operačním systému Windows a Linux (viz příklad níže).
// použití ve Windows
341
SerialPort _serialPortWin = new SerialPort();
_serialPortWin.PortName = “COM2“;
// použití v Linuxu
SerialPort _serialPortLin = new SerialPort();
_serialPortLin.PortName = “/dev/ttyS0“;
SerialPort.ReadBufferSize – vlastnost pro nastavení nebo zjištění velikosti vstupního
(přijímacího) bufferu. Vlastnost je typu System.Int32. Velikost vyrovnávací paměti je
v bytech a jako výchozí hodnota je nastaveno 4096 bytů. Mohou nastat tři výjimky.
ArgumentOutOfRangeException nastane když je hodnota nastavena na méně než
nula nebo rovno nule. Výjimka InvalidOperationException nastane, je-li hodnota
nastavována když je sériový port otevřen. IOException nastane pokud bylo jako
velikost vstupního bufferu nastaveno celé liché číslo.
SerialPort.ReadTimeout – vlastnost pro nastavení či zjištění časového limitu
v milisekundách pro čtení ze sériového portu. Timeout nastane pokud není operace
čtení do tohoto limitu dokončena. Hodnota je typu System.Int32. Pokud port není
v platném
stavu
nastane
výjimka
IOException.
Další
výjimka,
ArgumentOutOfRangeException, může nastat je-li hodnota časové prodlevy menší
než nula nebo přesáhne hodnotu konstanty SerialPort.InfiniteTimeout. V operačních
systémech Windows by měla být nastavena jako výchozí hodnota 500 milisekund.
U Linuxových operačních systémů je potřeba tuto hodnotu nastavit ručně:
// nastavení hodnoty ReadTimeout
SerialPort _serialPort = new SerialPort();
_serialPort.ReadTimeOut = 500; // hodnoty timeoutů jsou 500 milisekund
_serialPort.WriteTimeOut = 500;
SerialPort.StopBits – vlastnost pro zjištění nebo nastavení standardního počtu stop
bitů v rámci. Hodnota je typu System.IO.Ports.StopBits. Výchozí hodnota je
nastavena na StopBits.One. Výjimka ArgumentOutOfRangeException nastane, je-li
nastavena hodnota StopBits.None, jsou podporovány pouze tyto hodnoty výčtového
typu StopBits: StopBits.One, StopBits.OnePointFive a StopBits.Two. Výjimka
IOException nastane pokud sériový port není v platném stavu.
SerialPort.WriteBufferSize – vlastnost pro nastavení nebo zjištění velikosti výstupní
(vysílací) vyrovnávací paměti. Vlastnost je typu System.Int32. Velikost bufferu je
v bytech a jako výchozí hodnota je nastaveno 2048 bytů. Mohou nastat tři výjimky.
ArgumentOutOfRangeException nastane když je hodnota nastavena na méně než
nula nebo rovno nule. Výjimka InvalidOperationException nastane, je-li hodnota
nastavována když je sériový port otevřen. IOException nastane pokud bylo jako
velikost vstupního bufferu nastaveno celé liché číslo.
SerialPort.WriteTimeout – vlastnost pro nastavení či zjištění časového limitu
v milisekundách pro zápis na sériový portu. Timeout nastane pokud není operace
zápisu do tohoto časového limitu dokončena. Hodnota je typu System.Int32. Pokud
port není v platném stavu nastane výjimka IOException. Další výjimka,
342
ArgumentOutOfRangeException, může nastat je-li hodnota časové prodlevy menší
než nula nebo přesáhne hodnotu konstanty SerialPort.InfiniteTimeout. V operačních
systémech Windows by měla být hodnota nastavena jako výchozí na 500 milisekund.
U Linuxových operačních systémů je tuto hodnotu opět potřeba nastavit ručně,
podobně jako u SerialPort.ReadTimeout.

Metody třídy SerialPort
Třída SerialPort obsahuje několik metod, které umožňují práce se sériovým portem.
Mezi nejdůležitější patří metody pro otevření/zavření portu, zápis či čtení z něj nebo
zjištění věech dostupných sériový portů v systému.
Close – metoda uzavírá spojení se sériovým portem a nastaví vlastnost IsOpen na
hodnotu false. Volání této metody také vymaže obě vyrovnávací paměti – přijímací
i vysílací. Může nastat výjimka IOException pokud sériový port není platný.
DiscardInBuffer – metoda vymaže data z přijímacího bufferu.Může nastat výjimka
IOException pokud sériový port není platný. Další výjimkou, která může nastat je
InvalidOperationException což může nastat pokud je tato metoda volána a sériový
port je uzavřen.
DiscardOutBuffer – metoda vymaže data z vysílací vyrovnávací paměti. Může nastat
výjimka IOException pokud sériový port není platný. Další výjimkou, která může
nastat je InvalidOperationException což může nastat pokud je tato metoda volána
a sériový port je uzavřen.
GetPortNames – metoda vrací pole typu System.String[] naplněný jmény dostupných
sériových portů v systému. Pořadí jmen sériových portů v poli není definováno. Ve
Windows
jsou
jména
získána
ze
systémových
registrů
(např.
HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE\DEVICEMAP\SERIALCOMM). Pokud jsou
v registrech špatná nebo zastaralá jména portů, pak tato metoda vrátí špatné jména
portů. Zde může nastat výjimka Win32Exception pokud se nelze dotázat na jména
portů.
Open – otevření nového sériového spojení. Jeden objekt typu SerialPort může mít
otevřeno pouze jedno spojení. Při volání této metody může dojít k několika výjimkám.
Výjimka UnauthorizedAccessException nastane pokud byl odepřen přístup k portu
případně stávající nebo jiný proces v systému již k sériovému portu přistupuje. Další
výjimkou je ArgumentOutOfRangeException, která nastává je-li některá s vlastností
špatně definována (Parita, počet stop bitů, komunikační rychlost, apod.). Výjimka
ArgumentException platí pro operační systémy Windows a nastane pokud jméno
portu nezačíná “COM“. IOException nastane když není sériový port platný. Poslední
výjimkou pro tuto metodu je InvalidOperationException, ta nastane pokud je již
sériový port ve stávající instanci otevřen.
Read – tato metoda čte vstupní (přijímací) buffer sériového portu. Metoda je
přetížená, tzn. existují dva její předpisy. Může nastat několik výjimek.
ArgumentNullException
nastane
pokud
je
buffer
nastaven
na
null.
InvalidOperationException
nastane
pokud
není
port
otevřen.
ArgumentOutOfRangeException může nastat pokud jsou argumenty metody offset a
count mimo platný rozsah velikosti vyrovnávacího bufferu nebo když je offset nebo
count menší než nula. Výjimka ArgumentException nastane když je součet
argumentů metody offset a count větší než velikost bufferu. Výjimka
343
TimeoutException nastane pokud nebyly v časovém limitu ke čtení žádné byty/znaky
(dle použité metody).
Read(System.Byte[] buffer, System.Int32 offset, System.Int32 count) – metoda čte
počet bytů ze vstupního bufferu sériového portu a tyto byty zapíše do pole bytů (první
argument metody). Druhý argument určuje offset, tzn. od kterého bytu se má ve
vstupním bufferu portu začít číst. Poslední, třetí, argument udává kolik hodnot ze
vstupního bufferu se má přečíst.
Read(System.Char[] buffer, System.Int32 offset, System.Int32 count) – metoda je
naprosto stejná s předchozí metodou, je zde změněn pouze první argument, který je
typu System.Char[] a jsou čteny místo bytů znaky.
Metoda Read v obou případech vrací počet přečtených bytů/znaků.
ReadByte – Synchronně přečte jeden byte ze vstupní vyrovnávací paměti. Vrací byte
převedený na Int32 nebo -1 pokud byl přečten konec. Výjimka
InvalidOperationException
nastane
pokud
není
port otevřen.
Výjimka
TimeoutException nastane pokud nebyly v časovém limitu ke čtení žádné byty nebo
nebylo čtení zcela dokončeno.
ReadChar – Obdobná metoda jako ReadByte s tím rozdílem, že se jedná o čtení
jednoho znaku. Výjimka InvalidOperationException nastane pokud není port otevřen.
Výjimka TimeoutException nastane pokud nebyly v časovém limitu ke čtení žádné
znaky nebo nebylo čtení zcela dokončeno.
ReadExisting – metoda vyčte všechny dostupné byty ve vstupní vyrovnávací paměti.
Důležité je, aby bylo správně nastaveno kódování (vlastnost SerialPort.Encoding).
Návratová hodnota je typu System.String a vrací celý přečtený obsah vstupního
bufferu. Výjimka InvalidOperationException nastane pokud není port otevřen.
ReadLine – metoda čte dokud se ve vstupní vyrovnávací paměti neobjeví hodnota
definovaná ve vlastnosti SerialPort.NewLine (nový řádek). Výsledkem je pak hodnota
typu System.String, která obsahuje přečtená data. V návratové hodnotě není
SerialPort.NewLine obsažen a hodnota nového řádku je odstraněna i ze vstupního
bufferu. Výjimka InvalidOperationException nastane pokud není port otevřen.
Výjimka TimeoutException nastane pokud nebyly v časovém limitu ke čtení žádné
byty nebo nebylo čtení zcela dokončeno.
ReadTo(System.String value) – metoda čte dokud se ve vstupní vyrovnávací paměti
neobjeví hodnota předaná metodě jako první argument value. V návratové hodnotě
typu System.String jsou pak vrácena přečtená data bez value. Hodnota value je
smazána i ze vstupního bufferu. Může nastat několik výjimek. ArgumentException
nastane když je délka parametru value rovná nule. ArgumentNullException nastane
pokud je value rovno null. InvalidOperationException nastane když není otevřen port.
A výjimka TimeoutException nastane pokud není čtení dokončeno před časovým
limitem.
Write – metoda zapíše data do vstupní vyrovnávací paměti sériového portu. Metoda
má tři přetížení. Mohou nastat tři výjimky, které mají tyto metody společné. Výjimka
InvalidOperationException nastane pokud při volání metody není otevřen port.
ArgumentNullException nastane když vstupní text nebo buffer má hodnotu null.
Výjimka TimeoutException může nastat když není operace dokončena v časovém
limitu.
Write(System.String text) – vstupní text typu System.String, je zapsán na sériový
port.
Write(System.Byte[] buffer, System.Int32 offset, System.Int32 count) – podobně jako
u metody Read, i zde jsou argumenty stejné. První argument buffer specifikuje pole
344
bytů, které bude vysláno na sériový port, dále offset říká od které položky v poli
buffer se bude na port zapisovat a poslední argument count definuje počet bytů,
který bude vyslán. Oproti výše uvedené metodě mohou nastat další dvě výjimky.
ArgumentOutOfRangeException nastane pokud argumenty offset nebo count jsou
mimo rozsah bufferu a nebo je argument offset nebo count menší než nula. Výjimka
ArgumentException nastane když součet parametrů offset a count je větší než délka
bufferu.
Write(System.Char[] buffer, System.Int32 offset, System.Int32 count) – obdoba výše
uvedené metody, akorát pole které se bude vysílat není typu byte ale char, zbylé
argumenty mají stejný význam. Výjimka ArgumentOutOfRangeException nastane
pokud argumenty offset nebo count jsou mimo rozsah bufferu a nebo je argument
offset nebo count menší než nula. Výjimka ArgumentException nastane když součet
parametrů offset a count je větší než délka bufferu.
WriteLine(String text) – zapíše do výstupní vyrovnávací paměti hodnotu text a přidá
ještě hodnotu SerialPort.NewLine, která definuje konec vysílané zprávy. Vstupní
argument metody definuje jaká data se mají zapsat do vstupního bufferu. U této
metody mohou nastat tři výjimky. Výjimka InvalidOperationException nastane pokud
při volání metody není otevřen port. ArgumentNullException nastane když vstupní
text má hodnotu null. Výjimka TimeoutException může nastat když tato metoda
nemůže zapisovat.

Události třídy SerialPort
Při vyvolání události se vykoná obslužná rutina nebo metoda, přiřazená dané
události. Například nastane-li událost že jsou přijata data po sériovém portu,
v obslužné metodě pak budou přijatá data zpracovaná. Třída SerialPort obsahuje tři
události:
DataReceived – představuje metodu, která bude zpracovávat událost, že jsou přijatá
data na sériovém portu.
ErrorReceived – představuje metodu, která bude zpracovávat událost když nastane
chyba při přijetí dat.
PinChanged – představuje metodu, která bude zpracovávat událost nastane-li změna
pinu sériového portu.
Události jsou zpracovávány sekundárním pod-vláknem, když jsou data přijata
z objektu SerialPort. Protože je tato událost zpracovávána sekundárním pod-vláknem
a ne hlavním vláknem, při možném pokusu změny např. uživatelského rozhraní
(tlačítka apod.), může nastat výjimka. Prvky UI jsou totiž měněny v hlavním vlákně,
je-li nutné měnit v některé z těchto události prvky UI, je nutné použít metodu Invoke,
aby změna proběhla ve správném vlákně.
using System;
using System.IO.Ports;
class PortDataReceived
{
public static void Main()
345
{
SerialPort serialPort = new SerialPort();
serialPort.PortName = “COM1“;
serialPort.BaudRate = “9600“;
serialPort.DataBits = 8;
serialPort.Parity = Parity.None;
serialPort.StopBits = StopBits.One;
// zaregistrování události pro příjem dat
serialPort.DataReceived += OnDataReceived;
serialPort.Open();
Console.WriteLine(“Pro ukončení stiskněte klávesu...“);
Console.WriteLine();
Console.ReadKey();
serialPort.Close();
}
static void OnDataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
SerialPort sp = (SerialPort) sender;
string lInData = sp.ReadExisting();
Console.WriteLine(“Přijaté data:“);
Console.WriteLine(lInData);
}
}
8.2. Příklady
V Linuxových systémech, kde je používán projekt mono pro spuštění aplikací
psaných v jazyce C# existují některé neimplementované třídy, metody apod. oproti
.NET Frameworku pro Windows. Například využití události DataReceived pod
monem nelze použít. Níže jsou uvedeny zdrojové kódy příklad pro mono a .NET
Framework.
Níže je uveden příklad pro čtení dat z RFID čtečky. Přijatá data jsou parsována,
převedena do hexadecimálního tvaru a vypsána do konzole. Tento příklad používá
vlákno pro čtení dat ze sériového portu.
using System;
using System.IO.Ports; // sériový port
using System.Threading; // vlákna
346
namespace SerialPortRfid
{
class MainClass
{
static SerialPort mSerialPort;
static Thread mReadThread;
public static void Main (string[] args)
{
Console.WriteLine("SerialPortTest");
// vytvoření nové instance
mSerialPort = new SerialPort();
// základní nastavení portu
mSerialPort.PortName = "/dev/ttyUSB0";
mSerialPort.BaudRate = 9600;
mSerialPort.DataBits = 8;
mSerialPort.Parity = Parity.None;
mSerialPort.StopBits = StopBits.One;
mSerialPort.ReadTimeout = 500;
mSerialPort.WriteTimeout = 500;
mSerialPort.Open();
bool lContinue = true;
// vytvoření vlákna pro příjem dat
mReadThread = new Thread(Convert);
mReadThread.Start(); // spuštění vlákna pro příjem dat
// hlavní nekonečná smyčka programu
while (lContinue) {
Thread.Sleep(1000); // uspání na 1 sekundu
}
mReadThread.Abort();
mReadThread.Join();
mSerialPort.Close();
}
347
// metoda volaná ve vlákně – přijetí dat ze sériového portu
private static string Read()
{
string lResponse = "";
try {
Thread.Sleep(20); // pauza pro přesunutí bufferu
// přečtení vyrovávací paměti
string lMessage = mSerialPort.ReadExisting();
// zjištění délky přijatých dat
int lLength = lMessage.Length;
if (lLength > 0)
lResponse += lMessage;
} catch (TimeoutException) {}
return lResponse;
}
// převod do hexadecimálního tvaru
public static string ConvertToHex(string asciiString)
{
string hex = "";
foreach (char c in asciiString) {
int tmp = c;
hex += String.Format("{0:X2}",
(uint)System.Convert.ToUInt32(tmp.ToString()));
}
return hex;
}
// metoda která zpracovávána jako vlákno
// přijetí dat, konverze a výpis
private static void Convert()
{
while (true) {
string lReaded = Read();
if (lReaded != "") {
348
lReaded = lReaded.Substring(1,
lReaded.Length-2);
lReaded = ConvertToHex(lReaded);
Console.WriteLine(DateTime.Now + " - " +
lReaded);
}
}
}
}
}
Další příklad je naprosto identický (parsuje přijatá data, převede do hexadecimálního
tvaru a vypíše do konzoly). Pro přijetí dat je zde ale použita událost DataReceived.
using System;
using System.IO.Ports; // sériový port
using System.Threading; // vlákna
namespace SerialPortRfidEvent
{
class MainClass
{
static SerialPort mSerialPort;
public static void Main (string[] args)
{
Console.WriteLine ("SerialPortTestEvent");
// vytvoření nové instance
mSerialPort = new SerialPort();
// základní nastavení portu
mSerialPort.PortName = "/dev/ttyUSB0";
mSerialPort.BaudRate = 9600;
mSerialPort.DataBits = 8;
mSerialPort.Parity = Parity.None;
mSerialPort.StopBits = StopBits.One;
mSerialPort.ReadTimeout = 500;
mSerialPort.WriteTimeout = 500;
// zaregistrování události pro příjem dat
349
mSerialPort.DataReceived += OnDataReceived;
mSerialPort.Open();
bool lContinue = true;
// hlavní nekonečná smyčka programu
while (lContinue) {
Thread.Sleep(1000); // uspání na 1 sekundu
}
mSerialPort.Close();
}
// metoda, která je volána když nastane událost DataReceived
// zpracování přijatých dat
private static void OnDataReceived(object sender,
SerialDataReceivedEventArgs e)
{
Convert();
}
// přijetí dat ze sériového portu
private static string Read()
{
string lResponse = "";
try {
Thread.Sleep(20); // pauza pro přesunutí bufferu
// přečtení vyrovávací paměti
string lMessage = mSerialPort.ReadExisting();
// zjištění délky přijatých dat
int lLength = lMessage.Length;
if (lLength > 0)
lResponse += lMessage;
} catch (TimeoutException) {}
return lResponse;
}
// převod do hexadecimálního tvaru
public static string ConvertToHex(string asciiString)
350
{
string hex = "";
foreach (char c in asciiString) {
int tmp = c;
hex += String.Format("{0:X2}",
(uint)System.Convert.ToUInt32(tmp.ToString()));
}
return hex;
}
// metoda která zpracovává přijaté data
// přijetí dat, konverze a výpis
private static void Convert()
{
string lReaded = Read();
if (lReaded != "") {
lReaded = lReaded.Substring(1, lReaded.Length-2);
lReaded = ConvertToHex(lReaded);
Console.WriteLine(DateTime.Now + " - " + lReaded);
}
}
}
}
Další zdroje
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.io.ports%28v=vs.110%29.aspx
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.io.ports.serialport%28VS.90%29.aspx
http://www.hw.cz/rozhrani/hw-server-predstavuje-seriova-linka-rs-232.html
351